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前言

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

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第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第三章 太 阳 系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

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第三章 太阳系

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第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

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第三章 太阳系

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第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第三章 太阳系

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

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第四章 地 球

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第四章 地 球

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第四章 地 球

第四章 地 球

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第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

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第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地 球

第五章 大 气

第五章 大 气

第五章 大气

第五章 大 气

第五章 大 气

第五章 大 气

第五章 大 气

第五章 大 气

第五章 大 气

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第五章 大 气

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第五章 大 气

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第五章 大 气

第五章 大 气

第五章 大 气

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第五章 大 气

第五章 大 气

第五章 大 气

第五章 大 气

第五章 大 气

第五章 大 气

第五章 大 气

第六章 元 素

第六章 元 素

第六章 元素

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第七章 粒 子

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第七章 粒子

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第七章 粒 子

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第七章 粒 子

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第十章）。1935年，加拿大血统的美国物理学家登普斯特运用阿

第七章 粒 子

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第七章 粒 子

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第七章 粒 子

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第七章 粒 子

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第七章 粒 子

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第七章 粒 子

第七章 粒 子

第七章 粒 子

第八章 波

第二章中已经提到，1666年牛顿对光的性质率先做了一系列

第八章 波 449

第八章 波 449

第八章 波

第八章 波

第八章 波

第八章 波

第八章 波

第八章 波

第八章 波

第八章 波

第八章 波 459

第八章 波 459

第八章 波

第八章 波

第八章 波 463

第八章 波 463

第八章 波 465

第八章 波 465

第八章 波

第八章 波

第八章 波 469

第八章 波 469

第八章 波

第八章 波

第三章）。此后，似乎就没有东西能动摇牛顿引力定律的地位了。

第八章 波

第八章 波

第八章 波

第八章 波

第八章 波

第八章 波

第八章 波

第八章 波

第八章 波

第八章 波

第八章 波 483

第八章 波 483

第八章 波 485

第八章 波 485

第八章 波

第八章 波

第八章 波 489

第八章 波 489

第八章 波

第八章 波

第八章 波 493

第八章 波 493

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

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第九章 机 器

第九章 机 器

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第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

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第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第一部实用的内燃机是在

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机 器

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第九章 机 器

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第九章 机 器

第十章 反应堆

第十章 反应堆

第十章 反应堆

第十章 反应堆

第十章 反应堆

第十章 反应堆

第十章 反应堆

第十章 反应堆

第十章 反应堆

第十章 反应堆

第十章 反应堆

第十章 反应堆

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第十章 反应堆

第十章 反应堆

第十章 反应堆

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋 白 质

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

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第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

第十四章 微 生 物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

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第十四章 微生物

第十四章 微生物

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第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

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第十四章 微生物

第十四章 微生物

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第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十四章 微生物

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

第十五章 人 体

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第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

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第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第一章，就明白地记载各种生物都是按照其同类创造出来的，照字

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

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第十六章 物 种

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第十六章 物 种

第十六章 物 种

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第一部分的大多数记载，很明显是由巴比伦传说而来。1877年，

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

第十六章 物 种

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第十六章 物 种

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第十六章 物 种

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第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十五章）在起作用。在某些爬行动物中，松果体非常发达，并似

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第一部大型电子计算机共包含了

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

前言

ASIMOV'S

NEW GUIDE TO SCIENCE

阿西莫夫最新科学指南

［美］ I·阿西莫夫著

（上）

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

在开始的时候几乎就是好奇心。

好奇心是一种强烈的求知欲，无机物是不会有的，而有些活的

有机体也因为缺乏好奇心而显得全无生气。

一棵树无法以我们所能辨认的方式对它的环境表示好奇；海

绵或牡蛎也同样不能。风、雨或海流带给它们所需要的物质，而它

们也能够从中获取。假如遇到的是火、毒品、猎食动物或寄生物，

它们也会安安静静地死去，就像活着的时候一样无声无息。

早在生命诞生的初期，某些有机体就已发展出一种独立运动

的能力。这对它们控制环境具有重大意义。会动的有机体已不再

是消极地等待食物，而是主动地去寻找食物。

于是世界上出现了冒险与好奇心。一个有机体如果在寻找食

物的竞争中犹豫不前，过度保守，必然会惨遭挨饿的命运。因此，

在早期，为了求生存，必须加强对环境的好奇心。

以蠕动方式寻找食物的单细胞草履虫，不可能像人类那样有

自觉的意识和愿望，不过，它具有一种动力（即使只是“简单”的物

理-化学的动力），使它好像是要在周围的环境中寻找食物或安全。

这种由“好奇心”引起的动作我们最容易辨认，因为这种动作是与

人类生命最为相近的那种生命所必不可少的。

当有机体变得越来越复杂时，它的感觉器官也更加多样化，而

且更为复杂、更为精细，有关外界环境的更多的信息被接收进来。

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求知欲

有时候，接收、储存、转译外界环境信息的能力超过了所必需。

一个有机体吃得很饱而又无所事事，眼前又没有危险，它又会怎样

呢？

或许它会像牡蛎一样陷入麻木的状态。但是高等有机体仍有

探测环境的强烈本能，我们可以称之为“闲暇的好奇心”，虽然我们

对此可以不予理会，但是我们可以以此来判断动物的智力。譬如，

狗没事干的时候，会到处闻来闻去，听到人类不能听到的声音时，

又会突然竖起耳朵；而猫有空闲时，不是在舔自己，就是安静地伸

着懒腰睡大觉，由此我们可以判断狗比猫聪明。脑子越发达就越

有兴趣探险，闲暇的好奇心也就越旺盛。猴子以它的好奇心闻名，

它那忙碌的小脑瓜儿随时随地不断地在动。在这一点上，以及在

其他很多方面，人类可说是超猴。

人脑是迄今已知的宇宙中最精巧组织的一团物质，它接收、组

织、储存信息的能力远远超过生活的需要。据估计，在一生中一个

人可以学到

15×1012个信息。

由于人脑的潜力如此巨大，所以人很容易被无聊所折磨。当

一个人被限制在没有机会施展自己脑力（除了基本生存所必需之

外）的情况下，会逐渐产生不愉快的症状，包括严重的精神分裂症。

事实上，任何正常人的好奇心都很强，如果这种好奇心不能在正常

情况下得到满足的话，它只好另找出路，甚至做出令人悔恨的行

为。人们不是常说“好管闲事”和“少管闲事”吗？

即使要受到惩罚，人类也一向难以克制他们的好奇心，这从传

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

之已久的神话或传说中可见一斑。希腊有个潘多拉

①及潘多拉的

盒子的故事。潘多拉是世间第一个女人，宙斯给了她一个禁止打

开的盒子。可想而知她很快就把盒子打开了，发现盒内全是疾病、

饥荒、仇恨及各种邪恶的精灵，这些精灵全都跑了出来，从此危害

人间。

圣经故事中夏娃被蛇诱惑的那一段，在我看来，蛇的工作简直

易如反掌，而且我认为它甚至可以不必说那一段引诱夏娃的话，因

为即使没有外界的引诱，夏娃的好奇心一定会驱使她尝一尝禁果

的滋味。如果你想用比喻的方法解释圣经的话，你可以把蛇设想

为人类这种内在冲动的代表。在传统的漫画中，夏娃手拿禁果站

在树下，至于蜷在树枝上的蛇，只要再标个“好奇心”就可以了。

即使好奇心跟其他人类的冲动一样用在最不名誉的事情——

刺探别人的私生活上，它仍然是人类精神中最高贵的天性，因为好

奇心最基本的定义是“求知欲”。

这种求知欲最初表现在解决人类实际生活的需求上，例如：

怎样耕种作物能获得丰收？怎样设计弓箭才最好用？怎样织布比

较好？简单地说就是“应用艺术”。当这些比较基本的技能需求满

足以后又如何呢？求知欲不可避免地会升级到比较不受限制和更

复杂的活动上。

显然，为满足刚开始的无限的精神需求的“美术”，是在无聊的

痛苦中产生的。诚然，人们很容易找到美术更多的世欲的用途及

产生的原因，例如绘画和小雕像被用来作为丰收的符咒和宗教的

象征。但是人们不能不怀疑，是先有了物品，然后才想到拿它来作

什么用。

①本书有关希腊罗马神话人物的译名主要根据《希腊罗马神话词典》，

鲁刚、郑述谱编译，中国社会科学出版社，1984年第

1版。——译注

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不仅从事美术创作可以满足精神需求，作品的玩味和欣赏对

观众来说也有同样的作用。一件伟大的艺术品之所以伟大，正是

因为它所提供的精神刺激不是其他地方可以轻易找到的，它所包

含的复杂“信息”使脑子的活动超出平常的需求，除墨守成规或精

神失常的人外，这种脑力活动是相当愉快的。

即使从事美术可以消磨闲暇时间，但也有它的缺点，那就是除

了必须有充满活力及创造力的大脑外，还需要精巧的技术；至于不

涉及技术的脑力活动，事实上与美术活动一样有趣，它所追求的是

知识本身，而不是为了应用。

于是求知欲似乎相继被引入更微妙的领域，从而更有效地占

有心灵——由完成实用的知识，进而完成美的知识，再升高到“纯”

知识。

单就知识本身而言，是为了寻求解答诸如天空有多高、石头为

什么会落下来等纯粹由好奇心所引发的一些问题。然而，并没有

什么明显的目的使我们一定要知道天空有多高或为什么石头会掉

落。高高在上的天空不会干扰我们日常的生活；至于石头呢，即使

我们知道为什么石头会掉落，也不能使我们更灵巧地躲开它，或者

碰巧掉在我们身上的话，让它打得轻一些。但是总有人会问那些

看起来毫无用处的问题，并设法寻找问题的答案，这纯粹是出自于

求知欲，为了使他们的大脑保持活动。

解决这种问题的明显的方法是：编造出一个合理的答案——

从当时已知的资料中找出一个足以满足好奇心而又可以理解的答

案。用“编造”这个字眼似乎太粗俗，太没有诗意了。古时候人们

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

喜欢把发现的过程归因于缪斯女神所赐的灵感，或来自天国的启

示。不管是灵感还是启示，或是讲故事中的创造性思维，这些解释

大都是类推得来的。例如闪电具有骇人的杀伤力，就像一把猛然

投掷而来的利器，从而推导出一定有能够使用这一强大武器的巨

人，因此在神话中，闪电便是雷公的锤或是宙斯的发亮的矛。超等

的武器为超人所利用。

于是神话便这样诞生了。自然力都被拟人化而且封为天神。

各神话间彼此互相影响，并由一代代讲神话的人加以补充提高，直

到原来的面貌变得模糊不清。有些神话会变成哀婉的故事，而有

些增添了伦理道德的内容后变得非常重要，竟然使它们在一种主

要宗教的结构中有了意义。

就像艺术有美术和应用艺术之分一样，神话也有这种性质；神

话可以维持其美的魅力，也可以适应人类的实际应用。举例来说，

早期的农民相当关心下雨现象以及下雨为什么如此反复无常。人

类把天地加以拟人化之后，发现下不下雨很容易解释。下不下雨

要看地神或天神高不高兴。这种神话一旦被接受，农民就想到要

用各种祭拜仪式来取悦于天地神而降雨，比如以饮酒狂欢的方式

来让天地之神高兴等等。

希腊人

在西方的文学和文化遗产上，希腊神话是其中最美丽和最精

彩的一部分。但希腊人最先也是以非人的和非生命的观点来看待

宇宙的。对于编造神话的人来说，宇宙性质的不可预测正如同人

的本性一样难以捉摸。虽然这些神拥有超人的神秘力量，但不管

他们多么厉害，他们跟普通人一样也有轻浮、反复无常、激动、为琐

碎小事发脾气等毛病。浩瀚的宇宙在这种霸道而又不可预测的神

祇控制下，根本没有希望能了解它，只有听天由命。但是后来的希

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根据希腊的传说，第一个从事这方面研究的人是公元前

600

年的泰勒斯。后来的希腊作家们给他加上了无数个发现，而他可

能是最先把整个巴比伦文化带到希腊来的人。他最惊人的成就据

说是正确地预言了公元前

585年的日食，后来果然发生了。

在探索自然法则的过程中，希腊人认为大自然是会公正处事

的，也就是说，只要用正确的方式去探讨，大自然必定会披露出一

些秘密，决不会中途改变立场或态度（两千年后，爱因斯坦心有感

触地说：“上帝或许是神秘莫测的，但他绝无恶意。”）。他们还认为

自然法则一旦被发现就可以理解。这种希腊式的乐观精神一直留

存到现在。

这种信念产生之后，人类就得创造出一套有条理的系统，以学

会怎样从观察到的资料中找出内在的规律。运用既定的论证法则

由一点推进到另一点必须运用“推理”。一个进行推理的人可以利

用“直观”来指导寻找答案，但是必须依靠合理的逻辑才能检验某

一种理论。举例来说，如果白兰地加水、威士忌加水、伏特加加水、

甜酒加水都是有毒的，那么你可能很快就下结论说：在这些饮料

中，致毒因子一定是共有的水。这种推理是错误的，但到底是哪里

的逻辑错了并不明显；如果情况更复杂，要找出错误就更不容易

了。

找出推理过程中的错误，从希腊时代至今，思想家们都引以为

乐。然而系统逻辑的最早基础，则应归功于公元前

5世纪的亚里

士多德，他是第一个总结出严密推理规律的人。

人对大自然的智力游戏主要有三种：第一，要收集对大自然

各方面的观察资料。第二，要把这些资料井然有序地组织起来（这

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

举例来说，我们观察到弹子在水中会下沉，木头会浮起，铁块

会下沉，羽毛会浮起，水银会下沉，橄榄油会浮起等等，如果把所有

会下沉的东西列在一起，会浮起的也列在一起，再找出能够分辨两

组的特性，我们就可以得出结论：密度比水大的会下沉，密度比水

小的会浮起。

希腊人把他们这种研究宇宙的新方法叫做哲学，意思是“对知

识的喜爱”，或意译为“求知欲”。

几何学和数学

希腊人在几何学上贡献卓著，他们的成功主要是由于两种技

术的发展：抽象和概括。

以下有个例子：埃及的土地测量者发现一个形成直角的简单

方法，那就是把绳子分成

12等份，以其中的

3份为一边、

4份为另

一边、

5份再为另一边，围成一个三角形，则

3份边与

4份边相接

之处为直角。至于埃及人是怎样发现这种方法的则没有记载。埃

及人的兴趣停止在如何应用它，但好奇的希腊人则致力于研究为

什么这样的三角形会包含一个直角。他们分析的结果发现，构成

直角三角形的物理条件本身只是偶然的，不管它是由绳子或亚麻

布或木条板围成都无关紧要，它只是几条直线以某种角度相接而

已。理想的直线是不受视觉约束的，只存在于想象之中。这个方

法希腊人称为抽象法，也就是为了解决问题，把不重要的枝节删

去，只考虑与问题本身有关的性质。

希腊的几何学家则更进一步，在解决各个问题时不一一分开

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在

3、4、5的三角形上，在

5、12、13的三角形或

7、

24、25的三角形上也会出现。但是这些只是数字，并没有什么意

义，各种直角三角形会不会有什么共同的性质呢？仔细地推理后，

希腊人发现形成直角三角形的惟一条件为：

X2+Y2=Z2，Z为最

长的一边，而直角则在

X边和

Y边交接之处。我们可以验证

3、4、

5的三角形：32+42=52；5、12、13的三角形：52+122=132；7、24、

25的三角形：

72+242=252。这些只是无限种可能情形中的三种

情形而已。发现这种关系永远成立的证据使希腊人受到启发，他

们进而使用几何来作为发现或形成这种法则的极好工具。

很多希腊数学家对于几何图形中线和点的关系提供了证据，

而关于直角三角形的定理是在公元前

525年由毕达哥拉斯发现

的，为了纪念他，这一定理至今仍称为毕氏定理。

大约公元前

300年，欧几里得把当时已知的数学定理收集起

来，并加以编排，使得每一个定理都可以由先前已证明过的定理来

证明。但我们会立即想到，假如每一个定理都可以由已证明过的

定理加以证明，那么如何证明第一个定理呢？答案是刚开始的前

提非常明显，而且很容易被人接受，所以根本不需要证明，这称为

公理。欧几里得设法把当时公认的公理化简成几个简单的陈述。

就根据这几个公理，他建立了一个复杂而堂皇的体系——欧几里

得几何学。历史上从未有人由如此简单的几个陈述推导出一个体

系来。两千多年来，欧氏几何学一直被用作教科书，只有微小的改

动，这是对欧几里得的最高褒奖。

演绎法

由一组公理推导出一个知识体系，这种方法叫做演绎法，这是

相当吸引人的。由于几何学成绩斐然，希腊人竟爱上了这种游戏，

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

但也因此犯了两大错误。

第一个错误就是把演绎法当成寻求新知识的惟一可尊敬的途

径。他们清楚地知道有些知识用演绎法推演并不合适，比如说由

哥林斯到雅典间的距离就无法用抽象的定理来推演，而必须测量。

当希腊人在需要时，愿意研究自然，但是总觉得羞耻，因为他们认

为最高级的知识来自思维。他们有低估与日常生活直接有关的知

识的倾向。有一个故事说柏拉图的学生在接受大师的数学指导

时，最后很不耐烦地问：“但是这又有什么用处呢？

”柏拉图很不高

兴地吩咐仆人拿一枚硬币给那个学生，把他打发走了，口里说：“现

在你不必再认为你所学的一切毫无用处了！”

这种自视清高的观点可能来自希腊的以奴隶为基础的文化，

因为当时所有的日常琐事都由奴隶来担当。情况可能是如此，但

我倾向于这样一种观点，即希腊人所认为的哲学是一种运动，一种

智力游戏。社会上很多人觉得，从事业余运动的人社会地位比职

业运动选手高。根据这种纯正的观念，我们要规定奥运会不准任

何职业运动选手参加比赛，岂不荒谬可笑。希腊人这种“崇拜非实

用知识”的哲理观，可能是建立在这样一种感情上，即让诸如雅典

到哥林斯的距离之类的世俗琐事干扰抽象思维，就像让杂渣掺入

纯哲学领域中一般。不论他们如何强辩，希腊思想家的这种态度

已对他们造成了严重的限制。希腊对文明并不是没有实际的贡

献，但是连他们的伟大工程师阿基米得都拒绝把他的实用性的发

明和发现写出来。为了表明他“业余”的身分，只发表了他在纯数

学上的成就。希腊人对于世俗的事——发明、实验或对自然的研

究——缺少兴趣，只是束缚希腊思想的一个因素而已。希腊人把

重心放在纯抽象或形式的研究上（在几何学上的确取得了极大的

成功），使他们陷入了第二个大错误，最后，被引进了死胡同。

在用一些公理成功地导出几何学体系的鼓舞下，希腊人把公

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元

150年托勒玫提出了一种极其

复杂的体系。亚里士多德也由自明的公理提出了想象的运动理

论，比如物体落下的速度与重量成正比。（每个人都会看到石头比

羽毛落得快。）

后来，由自明的公理演绎的方法被逼得走投无路。当希腊人

将公理包含的各个方面全部推导以后，在数学或天文学上更进一

步的突破已变得不可能了。哲学的知识显得既完全又完美，甚至

在希腊黄金时代结束

2 000年后，当有关物质宇宙的问题再次被

提起时，仍有用“亚里士多德说……”或“欧几里得说……”作为问

题圆满解决的倾向。

文艺复兴和哥白尼

希腊人在解决了数学和天文学上的问题后，便转向更微妙、难

度更大的知识领域。其中之一就是人的灵魂。

柏拉图对于“什么是正义？什么是美德？”等问题，要比对“为

什么会下雨？星球怎样运动？

”等问题感兴趣得多。若说亚里士多

德享有最高自然哲学家的地位，则柏拉图就是最高道德哲学家了。

罗马时代的希腊思想家对道德哲学越来越感兴趣，而对自然哲学

越来越疏远。普罗提诺于公元

250年所提出的极为奥秘的“新柏

拉图主义”，可算是古代哲学最后的一次发展。

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

此后基督教兴起，基督教教义着重在神的本性及神与人类的

关系。基督教把道德哲学引入一个全新的领域，使它成为一种明

显优于自然哲学的理性追求。公元

200—1200年，欧洲人的研究

几乎全都与道德哲学有关，尤其是对神学的研究。自然科学几乎

无人问津。

虽然如此，阿拉伯人设法把亚里士多德、托勒玫等古希腊的自

然哲学从中古时代保存下来；后来从阿拉伯人那里又逐渐回传到

西欧。到了公元

1200年，亚里士多德学说又复活了。更大的活力

来自奄奄一息的拜占庭帝国，它是当时欧洲保留古希腊黄金时代

连续文化传统的最后一个地区。

亚里士多德哲学重现以后的第一个最自然的结果，就是他的逻

辑及推理系统在神学上的应用。公元

1250年左右，意大利的神学

家托马斯·阿奎那以亚里士多德学说为基础，建立了一套“托马斯学

说”，这套学说至今仍然代表着罗马天主教的基础神学。但是欧洲

人很快也把复兴的希腊自然哲学应用在非宗教性的事物上面。

由于文艺复兴的领导人物把重心由神学的研究转移到人性的

研究上，所以被称为“人文主义者”，而对文学、艺术、历史的研究现

在仍被称为“人文科学”。

文艺复兴时代的思想家们给希腊自然哲学引进了新的观点，

因为旧有的理论已不能完全令人满意了。公元

1543年，波兰天文

学家哥白尼出版了一本大胆否定天文学公理的书，认为太阳才是

宇宙的中心，而不是地球（但他仍然赞成地球及其他星球的圆形绕

转）。这个新的学说为观察到的天体运转提供了更简单的解释。

但是哥白尼所提出的转动的地球远不如古希腊人所说的不动的地

球“自明”，难怪哥白尼的学说半个世纪后才被人们接受。

从某种意义上来说，哥白尼系统本身并不是一项惊人的改变。

哥白尼只是换了一个公理而已；早在两千年前的阿利斯塔克就已

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当

19世纪的数学家基于不同的

前提而向欧几里得公理挑战，并建立新的非欧几何学时，他们对于

其他事物的想法造成的影响更为深远；今天我们对于宇宙的历史

和它的构造所知道的一切，完全与非欧几何学符合，而不再是普通

意义上的欧几里得几何学了。但是哥白尼所引起的革命却不只是

更换一个公理，而是最终导致一套全新的研究大自然的方法，这个

革命是由

16世纪末意大利的伽利略进行的。

实验法和归纳法

希腊人一向把明显的事实当作推理的起点。历史并没有记载

亚里士多德曾经把两块重量不同的石头一起投下去，来检验落下

的速度与物重成正比的假设。对希腊人而言，实验似乎是不恰当

的。这干扰了纯演绎的完美性。而且，如果实验和演绎的结果不

符合，人们能够肯定实验结果是对的吗？不完美的现实世界会与

抽象观点的完美世界完全相符吗？如不符合，是否应该让完美的

观点向不完美的现实妥协呢？以不完美的仪器检验完美的学说，

希腊哲学家并不认为这是获得知识的一种有效的途径。

在与托马斯·阿奎那同时代的著名哲学家

R.培根以及后来的

F.培根的大力支持下，实验法在欧洲才受到哲学方面的尊重。但

是推翻古希腊人观点并实施这场革命的还是伽利略。伽利略是位

令人信服的逻辑学家和杰出的宣传家。他清楚而生动地把他的实

验和他的观点陈述出来，因而赢得了欧洲学术界的赞同。他们在

接受他的成果的同时接受了他的方法。

伽利略最有名的故事是他用公开的实验证明亚里士多德落体

学说的错误。据说他爬到比萨斜塔上面，将一个

4.54公斤（10

磅）重的球体和一个

0.454公斤（

1磅）重的球体同时丢下去，两球

同时落地的声音粉粹了亚里士多德的落体学说。

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

其实伽利略很可能没有做过这个实验，但由于这个故事符合

他所提倡的观点，所以这个传说几个世纪以来广为世人所深信。

伽利略真正做过的实验是，从斜坡上将球滚下，然后测量在一

定时间内球所走的距离。他是做时间实验和进行系统测量的第一

个人。

他的革命在于，在科学的逻辑方法上使归纳法重于演绎法。

与其把结论建立在假设的法则上，不如从观察中归纳出法则（或公

理）。当然连希腊人也知道由观察可以得出公理，例如欧几里得公

理“两点间最短的距离是一条直线”，就是根据经验作出的直观判

断。但是希腊哲学家忽略了归纳法。近代的科学家视归纳法为获

得知识过程中最重要的一环，并视之为证明法则的惟一方法。而

且，现今的科学家深信，不一而再、再而三地进行新的实验，反复进

行检验，法则是绝不可能站得住脚的，这也是对进一步归纳的继续

检验。

现在总的观点刚好与希腊人相反。现在我们不再把现实世界

看成是真理的不完美代表，而把法则看成不过是现实世界的不完

美代表。因为，无论做多少次实验，都不可能使法则完全或绝对永

远有效。即使我们的法则是由千百万次实验的结果推导出来的，只

要有一次观察与法则矛盾或不一致，就必须加以修正。不论一

个学说有多少次实验成功地加以证明，也无法保证下次实验不会

把它推翻。

因此，这就成了现代自然科学的奠基石。任何人也不能说他

所得到的东西是最终真理。因此“最终真理”这个词变得毫无意

义，因为根本没有办法进行足够的观察而肯定真理一成不变，从而

使之成为“最终真理”。但是希腊哲学家没有认识到这个限制。他

们觉得，以同样的方法推论“什么是正义？

”以及“什么是物质？”等

问题，根本没有什么困难。而近代科学对于这两个问题有明显的

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现代科学直到建立了另一个重要的原则——所有科学家之间

的自由交流与合作——才取得了完全的胜利。虽然现在我们觉得

这种需要是理所当然的，但是古代及中时代的哲学家则很不以为

然，如古希腊的毕达哥拉斯学派就是一个很神秘的组织，他们所有

的数学发现都是秘而不宣的；中古时代的炼金术士因害怕别人学

到技术，总是把他们所谓的发现描述得很模糊，而且只让很少的人

知道。16世纪意大利数学家塔尔塔利亚对于他发现的解三次方

程的方法也守口如瓶，当另外一个数学同行卡尔达诺答应保密套

出了他的秘密并出版成书公诸于世时，塔尔塔利亚勃然大怒，不

过，除了气愤这位同行不守诺言之外，他倒是承认这种有益的发现

应该出版公布。

在今天，如果一项发现被隐藏起来不发表，根本就不算是一项

发现。在塔尔塔利亚和卡尔达诺以后

100年，英国化学家波义耳

强调所有出版的科学文件都要详细说明。而且，一项新的观察结

果或发现，至少要有另一名研究者重复观察并予以“证实”，才被认

为有效。科学并不是个体的成果，而是“科学社团”的产物。

在这种社团中，最早并且最具有代表性的当推伦敦促进自然

科学皇家学会，或简称皇家学会。这个组织是由一些对伽利略的

科学方法感兴趣的人聚集起来的，于

1645年创立，并且在

1660年

得到英国国王查理二世的正式认可。

皇家学会的会员经常聚会并公开讨论他们的发现，积极进行

实验，并以英文而不是拉丁文写出报告。虽然如此，几乎整个

17

世纪他们还是处于“守”的地位。他们的许多同代学者的态度可以

用一幅漫画来表示，这幅漫画用现代的方式画着毕达哥拉斯、欧几

第一章 科学是什么？

第一章 科学是什么？

里得和亚里士多德的高大身影，他们正在傲慢地注视着一群小孩

子玩石子游戏，上面标着“皇家学会”。

皇家学会处境的完全改变，应归功于其中的一个会员——牛

顿。他根据伽利略、丹麦天文学家第谷以及发现行星公转轨道为

椭圆形的德国天文学家开普勒的观察结果，归纳出牛顿三大运动

定律和最大的发现——万有引力定律。但牛顿仍用几何学和希腊

式的演绎方法发表他的发现。他的发现发表后，举世愕然，几乎把

他当成偶像来崇拜。从归纳过程中得到几个简单的假设，在这些

假设的基础上建立起雄伟堂皇的新宇宙，现在倒使希腊哲学家们

看起来像是小孩子玩石子游戏。17世纪初由伽利略促成的革命，

17世纪末由牛顿圆满地完成了。

现代科学

如果能够说科学从此便一帆风顺，人类从此可以快乐地生活，

那真是一件愉快的事。但事实是两者真正的困难才刚刚开始。只

要科学继续是演绎的，自然哲学就可以成为所有受过教育的人普

通文化的一部分。但是归纳的科学已经成为一种巨大的劳动——

要观察、学习和分析，再也不是一种业余的游戏。而且科学变得一

代比一代复杂，在牛顿之后的

100年中，还有一些杰出的人物可以

精通所有领域的科学知识，但到

1800年，这已经变得根本不可能

了。随着时间的推移，科学家们越来越需要把自己限制在一个很

小的领域里，专攻非常专门的学问。科学的迅猛发展迫使学术专

业化，而且对于科学家而言，专业化程度一代比一代强。

有关科学家学术成果的出版物从来没有像现在这么丰富过，

但外行人也越来越看不懂。这是阻碍科学进步的一大障碍，因为

科学知识的基本进展通常是来自各种不同专业知识的融合。更严

重的是，如今科学已越来越远离非科学家。在这种情况下，科学家

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自从第二次世界大战以来，我们发现越来越多的年轻人，甚至

包括在校的大学生，对科学产生了很大的敌意。我们的工业化社

会建立在近

200年以来科学发现的基础上，但我们的社会却越来

越为它的成功所带来的副作用而烦恼。

进步的医疗技术使人口剧增；化学工业和内燃机在污染我们的水

源和空气；物质和能源不断地消耗，使地球越来越枯竭。这些指控很容

易归咎到“科学”和“科学家”身上，因为有些人不太了解，知识虽然造成

问题，但不要知识并不能解决问题。

但是现代科学不需要对非科学家如此神秘，只要科学家担负

起交流的责任，把自己那一行的东西尽可能简单并尽可能多地加

以解释，而非科学家也肯洗耳恭听，那么两者之间的鸿沟或许可以

就此消除。要能够满意地欣赏一门科学的进展，并不需要对科学

有完全了解。没有人认为，要欣赏莎士比亚的戏剧，自己必须能够

写一部伟大的作品；要欣赏贝多芬的交响曲，自己必须能够作一部

同样的交响曲。同样地，要欣赏或享受科学的成果，也不一定要具

备科学创造的能力。

那么我们能做什么呢？处在现代社会的人，如果一点也不知

道科学发展的情形，一定会觉得不安，感到没有能力判断问题的性

质和提出解决的途径。而且，对于宏伟的科学有初步的了解，可以

使人们获得巨大的美的满足，使年轻人受到鼓舞，实现求知的欲

望，并对人类智慧的潜力及所取得的成就有更深一层的理解。

我之所以写这本书，就是想借此提供一个良好的开端。

（朱 岚 译）

上 篇

物理科学

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

第二章 宇宙

宇宙的大小

人们在偶尔眺望星空的时候，并不觉得天空有多么遥远。小

孩子很容易接受“牛跳过月亮”和“他跳得真高，摸到了天”之类的

幻想。在流传神话的时代，古希腊人让阿特拉斯背负天体，一点也

不觉得滑稽。当然这位天神可能是无比的高大，然而另一个神话

表明并非如此。英雄赫剌克勒斯在完成闻名于世的“十二件奇迹”

中的第十一件——去取圣园里的金苹果时，他让阿特拉斯帮助他

去取金苹果，而自己站在山上扛着天穹。即使赫剌克勒斯算得上

一个大个子，但他不是一个巨人。由此可以看出，当时希腊人非常

平静地接受了这样的观念：天空比山顶仅高出几米而已。

在开始的时候，人们自然地认为，天空只不过是一个坚硬的天

篷，那闪耀着的天体就是天篷上的钻石。早在公元前

6—4世纪，

希腊天文学家就已经认识到，天篷必定不止一层，因为那些“固定

的”恒星在以一个整体绕地球运转时，显然没有改变它们之间的相

对位置，但是太阳、月球和水星、金星、火星、木星、土星等五颗明亮

的天体却不是这样：事实上，它们各行其路。当时把这七个天体

叫做行星（希腊语“流浪者”的意思），很明显，它们不可能属于恒星

的天篷。

希腊人曾经设想，每个行星都固定在各自看不见的天篷上，而

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且天篷是一层套一层，最近的一层属于移动最快的行星。移动最

快的行星是月球，每

27 13

天绕天空一周。希腊人认为，月球以外

的几个行星的次序是：水星、金星、太阳、火星、木星和土星。

早期的测量

对宇宙距离第一次进行科学测量大约是在公元前

240年。亚

历山大图书馆（当时世界上最先进的科学机构）馆长埃拉托色尼考

虑了这样一个事实：

6月

21日中午，在埃及塞伊尼城

①的太阳正好

在头顶上的时候，在塞伊尼城北边

800公里的亚历山大城，太阳

并不在天顶。埃拉托色尼断定，一定是因为地面弯曲而偏离太阳，

才会发生这种情况。根据夏至那天中午在亚历山大城测到的日影

的长度，运用简单的几何学知识，就可以计算出从塞伊尼城到亚历

山大城

800公里距离内地面弯曲的程度，如果设想地球是球形

的话（那时希腊天文学家已经愿意接受“地球是球形的”说法了），

可以进而计算出地球的周长和直径（见图

2-1）。

埃拉托色尼用希腊单位求出了这个答案。如果换算成我们今

天的单位，他的数据是：地球的直径约为

12 800公里（

8 000英

里），周长约为

40 000公里（

25 000英里），这些数字碰巧与正确的

数值差不多，可惜的是，这些关于地球大小的准确数值没有被人们

广泛地接受。大约在公元前

100年，另一位希腊天文学家波西多

留斯重复了这一工作，他所得到的地球周长是

28 800公里（18 000

英里）。

这个较小的数字从古代到中古时代却广为人们所接受，哥伦

布接受了较小的数字，认为只要向西航行

4 800公里（

3 000英里）

①即现在的阿斯旺。——译注

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

图

2-1 埃拉托色尼利用地球的曲率测量了地球的大小：

6月

21日

中午太阳位于塞伊尼城的头顶，同一时间，阳光却在亚历山大城形成

7.5°的影子。由于知道两城之间的距离和在亚历山大城影子的长

度，所以埃拉托色尼计算出了地球的大小。

就可到达亚洲。如果他知道地球的真实大小，也许就不敢如此冒

险了。直到

1521—1523年，麦哲伦的船队（确切地说，是船队中幸

存下来的一条船）环绕地球一周后，才最终证实埃拉托色尼的数值

是正确的。

根据地球的直径，喜帕恰斯用一百多年前最大胆的希腊天文

学家阿利斯塔克所发明的方法，在公元前

150年计算出了地球到

月球的距离。当时希腊人已经猜测到，月食是因为地球走到太阳

与月球之间而引起的。阿利斯塔克认为，掠过月面的地球阴影应

该能够显示出地球和月球的相对大小。在此基础上，利用几何的

方法，就可以计算出地球到月球的距离（以地球直径来表示），喜

帕恰斯重复了这项工作，算得地球到月球的距离是地球直径的

30

倍。如果埃拉托色尼求得的地球直径为

12 800公里是正确的话，

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月球到地球的距离就是

38.4万公里（

24万英里）了。这个数字碰

巧也是一个近乎正确的数字。

然而在设法解决宇宙大小的问题上，希腊天文学只是求出了

月球的距离，至少从正确性方面来说是如此。阿利斯塔克曾经大

胆地试图测定太阳到地球的距离。他用的几何方法在理论上是绝

对正确的，但这个方法涉及到要测出角度的极小差值，不用现代的

仪器是无法得到精确数据的。他断定地球到太阳的距离为地球到

月球距离的

20倍（事实上大约为

400倍）。虽然他计算的结果是

错误的，但他从这些数据中推断出太阳至少比地球大

7倍，从而指

出大的太阳绕小的地球运转是不合逻辑的，于是他断定是地球绕

太阳运转。

遗憾的是，没有人相信他的话。以后的天文学家从喜帕恰斯

开始到托勒玫为止，都是以不动的地球位于宇宙中心为基础来描

述所有天体运动的，除了月球距离地球

384 000公里以外，其他天

体都在更远而尚未确定的距离上。这个体系一直统治到

1543年，

那一年哥白尼出版了他的书，重新回到阿利斯塔克的观点，永远废

除了地球作为宇宙中心的地位。

测量太阳系

太阳位于太阳系的中心，仅仅这个事实本身并无助于测定行

星间的距离。哥白尼采用了希腊人所测定的地球到月球的距离，

但他并不知道地球到太阳的距离。直到

1650年，比利时天文学家

温德林以改进的仪器重复阿利斯塔克的观察，才断定到太阳的距

离并不是到月球的

20倍，而是

240倍，即

9 600万公里（

6 000万英

里）。这个估计仍然太小，但比过去精确多了。

在此期间，1609年，德国天文学家开普勒发现行星轨道是椭

圆形而不是圆形，从而开辟了正确测定距离的途径。人们不仅第

第二章 宇 宙

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一次能够精确计算出行星的轨道，而且可以绘制出太阳系的比例

图，就是说能够绘制出太阳系所有已知行星的相对距离和轨道形

状。因此，只要测出太阳系中任何两个行星间的距离有多少公里，

所有其他行星的距离就可以立即计算出来。于是，太阳的距离不

必像阿利斯塔克和温德林那样去直接计算，而只要测出地球与月

球系统以外任何一个较近的天体（如火星或金星）的距离就可以

了。

另一种用来估计宇宙距离的方法是利用视差。要说明什么是

视差并不困难。将你的手指放在眼前大约

8厘米远处，先以左眼

看，再用右眼看，你的手指会相对于背影而移动了位置，这是因为

你已经改变了你的观察点。假若你重复这一过程，把手指放远一

些，比如说一臂远，你的手指仍会相对于背影位移，但这回移动得

没有那么多。所以，可以利用移动的量来测定手指到眼睛的距离。

如果一个物体在

50米远的地方，那么两眼可观察到的位移将

会太小而测不出来，因此必须利用比双眼距离更宽的“基线”。但

是我们只要先从某一点看那个物体，然后向右移

20米再来观察

它，便可以加大视差而很容易地测出物体的距离。测量员就是用

这种方法测量河流或溪谷的宽度。

用同样的方法，以恒星为背景，可以精确地测出月球的距离。

例如，从加利福尼亚天文台观测到月球相对于恒星的某个位置，而

同时在英国的天文台观测，月球的位置则会稍有不同。从这种位

置的改变，以及已知的两个天文台穿过地球的直线距离，便可以计

算出月球和地球的距离。当然，在理论上，我们可以从地球两侧相

对的两个天文台进行观测，这样就可以把基线扩展为地球的直径，

这时基线长度为

12 800公里。这样得到的视差角度除以

2就是

地心视差。

天体在天空的位移是以度或分、秒为单位来测量的。

1度为

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环绕天空

1周的

1/360，1度又分为

60弧分，1弧分再分为

60弧

秒。因此

1弧分为天空

1周的

1/（360×60）或

1/21 600，而

1弧秒

为天空

1周的

1/（21 600×60）或

1/1 296 000。

托勒玫利用三角学根据视差测出了月球的距离，而他的结果

和早期喜帕恰斯的数据相吻合。月球的地心视差为

57弧分（接近

1度），这个位移相当于从

5米处看到的一枚

5分硬币的宽度。这

即使用肉眼也可以测量出来。但是，如果要测量太阳或一个行星

的视差，所涉及的角度就太小了。可以得出的惟一的结论是，其他

天体比月球远得多。至于究竟有多远，没有人说得出来。

虽然中古时代的阿拉伯人及

16世纪的欧洲数学家进一步完

善了三角学，但是单靠三角学还是无法得到答案。直到

1609年望

远镜发明以后，才有可能测量微小的视差角度。（1609年，伽利略

在听到荷兰眼镜师做成放大镜筒之后，几个月内便发明了望远镜，

并用来观测天空。）

意大利出生的法国天文学家

J. D. 卡西尼于

1673年测出火星

的视差，使视差法越出了月球。在他测定出火星相对于恒星的位

置的同时，在同一天的黄昏，法国天文学家里奇在法属圭亚那也在

进行同样的观测。卡西尼将两个结果结合起来得到了火星的视

差，从而计算出了太阳系的大小。他算出的地球到太阳的距离为

13 800万公里，比实际距离仅少

7%。

从那时起，对太阳系中各种视差的测量越来越准确。

1931

年，人们制定了一个测量小行星爱神星视差的庞大国际计划。当

时，除了月球以外，爱神星是最接近地球的一个天体。此时爱神星

显示出较大的视差，因此可以测量得非常精确，从而可以比以前任

何时候都更精确地测定太阳系的大小。根据这些计算和利用比视

差法更为精确的方法，现在我们已知道，地球与太阳间的平均距离

约为

1.5×108公里，误差约为

1 600公里。（因为地球的轨道为椭

第二章 宇 宙

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圆形，所以实际距离变化为

14 710万～15 220万公里）。

日地的平均距离叫做一个天文单位（

A. U.），太阳系内的其他

距离也用天文单位表示。比方说土星和太阳的平均距离为

14.3×108公里，等于

9.54个天文单位。随着天王星、海王星及冥

王星等外行星的发现，太阳系的边界向外不断扩展。冥王星离太

阳的平均距离为

59×108公里，相当于

39.87个天文单位，而有些

彗星距离太阳更远。

到

1830年时，已经知道太阳系横跨数十亿里的空间，但显然这绝

非整个宇宙的大小，因为宇宙中还有许多其他恒星。

更遥远的恒星

在古代人们自然地认为，天上的恒星可能是固定在固体天篷

上的小物体，而这个天篷就是宇宙的边界，比太阳系的外缘稍远一

点点而已。这种观点虽然有些学者不同意，但直到

1700年仍受到

相当的尊重。

早在

1440年，德国学者尼古拉斯即认为空间是无限的，而恒

星是向各个方向无限延伸出去的太阳，每个太阳都跟随着一些可

居住的行星。恒星之所以看上去不像太阳而像微小的光点，是因

为它们的距离太遥远。可惜的是，尼古拉斯没有证据证实这些观

点，而只是提出来作为一种见解。这种见解似乎只是一种胡乱猜

测，所以没有受到人们的重视。

然而，1718年，正在努力用望远镜测定各种恒星在天空的准

确位置的英国天文学家哈雷，发现三颗最亮的恒星——天狼星、南

河三和大角星——的位置与希腊天文学家的记录不符。这项差异

太大了，因此不可能是误差，即使考虑到希腊人必须用肉眼观察这

个事实，也不会有这么大的误差。哈雷的结论是，恒星并非固定在

天篷上，而是像蜂群中的蜜蜂一样独立移动。这种移动非常缓慢，

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所以看上去恒星像是固定住似的，直到有了望远镜才观测到恒星

的移动。

恒星距离我们非常遥远，所以这种自行显得非常小。天狼星、

南河三及大角星属于比较近的恒星，因此终于探测出它们的自行。

由于它们离我们比较近，所以看上去显得特别亮。一般说来，恒星

越暗距离就越远，所以它们的自行在从古希腊到现代的漫长时间

里一直未能探测出来。

这种自行本身虽然可以证实恒星的距离，但并不能给我们以

实际的距离。当然，与更远的恒星相比较时，比较近的恒星应该显

示出视差，但是这种视差是无法探测出来的。即使天文学家以地

球绕太阳的轨道直径（大约

3×108公里）作基线，在轨道相对的

两端以半年的间隔进行观测，仍然观测不出视差。因此，即使最近的

恒星也必定极其遥远。由于愈来愈好的望远镜仍无法测出恒星的

视差，因此对恒星距离的估计也愈来愈远。恒星如此遥远我们仍

能看见它们的亮光，可见它们必定像太阳一样是一些巨大的火球。

这也证实尼古拉斯是正确的。

但望远镜和其他仪器在继续改进，在

19世纪

30年代，德国天

文学家贝塞尔使用了一种叫做量日仪的新仪器，因为这种仪器最初

是想用来精密地测量太阳的直径的。但用它同样能够测量天体间

的其他距离，贝塞尔就用它来测量两个恒星之间的距离。贝塞尔月

复一月地注意这些距离的变化，终于成功地测出了一个恒星的视差

（见图

2-2）。他选择的是天鹅座的一颗小星，叫做天鹅座

61星。

他之所以选定这颗星，是因为这颗星相对于其他恒星背景每年都显

示出特别大的自行，因此它一定比其他恒星离我们近。（不要把这

种自行与恒星相对于背景的前后移动相混淆，后者表示的是视差。）

贝塞尔以附近“固定的”恒星（可能要远得多）为基准，测定天鹅座

61

星连续移动的位置，持续观测了一年多。最后在

1838年，他报告说

第二章 宇 宙

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天鹅座 61星的视差为 0.31弧秒，即相当于把一枚 5分的硬币放在

16公里远处的宽度。这个视差是以地球轨道的直径为基线观测到

的，这表明天鹅座 61星在大约 100万亿公里（64×1012英里）远处，

为我们太阳系宽度的 9 000倍。因此，即使和最近的恒星相比，太阳

系也像是空间的一个小点。

图 2-2从地球公转轨道上两个相对的观测点测出一颗恒星的视差

因为用万亿公里计算距离相当不方便，天文学家便以光的速

度来计算距离，以便缩小数字。光速是每秒 299 792.458公里。

光一年走的距离约为 94 605亿公里，叫做 1光年。利用这个单

位，天鹅座 61星距离地球约 11光年。

在贝塞尔成功后仅两个月，英国天文学家亨德森就算出了半

人马座 α星的距离。这颗星是天空中第三颗最亮的星，但因位于

南天低空处，所以在美国佛罗里达州坦帕纬度以北的地方看不到

它。结果表明，半人马座 α星的视差为 0.75弧秒，是天鹅座 61星

的两倍多。因此，半人马座 α星相应地距离地球近多了。实际上，

它距离太阳系只有 4.3光年，是我们太阳系最近的恒星邻居。其

实它并不是一颗单独的星，而是由三颗恒星组成的。

1840年，在德国出生的俄国天文学家斯特鲁维宣布了天空中

第四颗最亮的星织女星的视差。后来发现他的测量结果有点误

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差，但这是可以谅解的，因为织女星距离地球远达

27光年，视差非

常小。

到

1900年，约有

70颗恒星已经用视差法测定出来（到

20世

纪

80年代，已有数千颗），即使使用最精密的仪器，能够精确测量

的极限距离也只有大约

100光年，而更远处还有无数颗恒星。

我们的肉眼大约能看到

6 000多颗恒星，而望远镜的发明使

我们立刻明白了，肉眼所看到的只是宇宙很小的一部分。当伽利

略

1609年把他的望远镜指向天空时，不仅发现了以前看不到的新

恒星，而且当他对准银河时，更使他大吃一惊。用肉眼看来，银河

只是一条朦胧的亮带。伽利略的望远镜则将这朦胧的亮带分成无

数颗恒星，就像爽身粉粒一样难以数计。

第一位想要弄明白银河真相的是在德国出生的英国天文学家

W.赫歇耳。1785年，W.赫歇耳提出，天上的恒星是以透镜的形

状排列的。如果我们朝银河望去，可以观察到很多恒星；而当我们

朝与这个圆轮垂直的方向望去，天空中能看到的恒星就少多了。

于是

W.赫歇耳推断，天体沿着银河的长轴形成了一个扁平的系

统。我们现在知道，在一定的范围内，这个图像是正确的。所以我

们把我们的星系叫做银河系。

W.赫歇耳试图估计银河系的大小。他假设所有的恒星具有

大约相同的自身亮度，于是便可以根据恒星的亮度来估计恒星的

距离。（根据一个著名的定律，亮度与距离的平方成反比，因此，如

果

A星的亮度是

B星的

1/9，A星的距离便是

B星的

3倍。）

W.赫歇耳认为在银河系内约有

1亿颗恒星。他又根据这些

恒星的亮度等级，断定银河系的直径约为到明亮的天狼星距离的

850倍，而银河系的厚度是这个距离的

150倍。

我们现在知道，到天狼星的距离是

8.8光年，因此

W.赫歇耳

的估计相当于银河系的直径为

7 500光年，厚度为

1 300光年。后

第二章 宇 宙

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来证明这个估计太保守了。但是就像阿利斯塔克过于保守地测量

到太阳的距离一样，这是朝正确方向迈出的一步。

人们很容易相信，银河系里的恒星就像一群蜜蜂一样运动着

（正如我在前面所说的那样），同时，W.赫歇耳证明，太阳本身也在

这样运动着。

1805年，在他花费了

20年时间测定许多恒星的自行之后，发

现天空中有一天区的恒星似乎总是从一个特殊的中心（向点）向外

移动。与之正好相对的另一天区，恒星则总是向内朝着一个特定

中心（背点）移动。

解释这个现象最容易的方法就是，假定太阳远离背点而朝向

点移动，而星团的恒星随着太阳的接近而散开，并随着太阳的远离

而靠近，（这是一种常见的透视效应。如果在一片树林中行走的

话，我们就会看到这种效应，由于我们习惯了这种效应，所以很少

加以注意。）

因此，太阳并不像哥白尼所认为的那样是宇宙不动的中心，而

是在运动中，但不是像希腊人所想象的那样运动。太阳不是绕着

地球运动，而是带着太阳系所有的行星在银河系中运动。现代的

测量表明，太阳以每秒

19.3公里（

12英里）的速度向天琴座中的

一点移动（相对于较近的恒星）。

1906年初，荷兰天文学家卡普坦，对银河系又进行了一次测

量。由于他可以利用摄影，又知道较近恒星的真实距离，所以他作

出的估计比

W.赫歇耳的更精确。卡普坦断定，银河系的大小为

宽

23 000光年，厚

6 000光年。因此，卡普坦的银河系模型是

W.赫歇耳模型的

4倍宽、

5倍厚；但这个模型还是太保守了。

总之，到

1900年对恒星距离的测量，就如同

1700年对行星距

离的测量一样。在

1700年，到月球的距离已经知道了，但是对更

远的行星只能猜测；在

1900年时，较近恒星的距离知道了，但更远

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恒星的距离也只能猜测。

测量恒星的亮度

紧接着又迈出了重大一步，这就是发现了新的测量标

杆——某些亮度起伏不定的变星。这段故事是从仙王座中一颗相

当明亮的恒星——仙王座

δ星（造父一星）开始的。经仔细研究，

人们发现这颗恒星的亮度有周期性的变化：经过最暗点亮度很快

就增加到两倍，然后慢慢地暗下来，恢复到最暗点。它这样反复地

变化着，非常有规律。天文学家还发现其他一些恒星也有同样规

律性的变化；它们都以仙王座

δ星（中文名造父一）来命名，所有这

类变星都叫做造父变星。

造父变星的周期（从暗点到暗点的时间）从少于一天到近于两

个月不等。距离我们太阳最近的似乎在一个星期左右，如仙王座

δ星是

5.3天；北极星是其中最近的造父变星，周期为

4天。（北

极星的亮度变化极小，无法用肉眼分辨出来。）

造父变星对天文学家的重要性就在于它们的亮度，对此我们

必须稍离本题来解释一下。

从喜帕恰斯以来，恒星的亮度就以他发明的星等系统来标定。

恒星越亮，星等就越低。他把

20颗最亮的恒星叫做一等星，再暗

一些就是二等星，然后是三等星、四等星、五等星，直到最暗淡的、

用肉眼隐约可见的为六等星。

到了

1856年，英国天文学家鲍格森把喜帕恰斯的观念定量

化。他指出，所有一等星的平均亮度为六等星平均亮度的

100倍。

为了使这五个星等间隔表示的亮度比为

100，一个星等的比率必

须为

2.512，就是说四等星的亮度为五等星的

2.512倍，为六等星

的

2.512×2.512倍或

6.3倍。

在恒星中，天鹅座

61星是一颗

5.0等的暗星（现在天文学可

第二章 宇 宙

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以把星等确定到小数点后一位数，有时甚至可以确定到小数点后

两位数）；五车二是一颗

0.9等的亮星；半人马座

α星更亮，为

0.1

等星。当亮度更大时，可用零等星或负几等星来表示。天狼星是

天空中最亮的一颗恒星，为－1.42等星。行星金星的星等是

－4.2；满月为－12.7；太阳为－26.9。

这些都是我们看到的恒星的视星等，而不是它们的与距无关

的绝对光度。但是，如果我们知道一颗恒星的距离和它的视星等，

我们就能够计算出它的真实光度。天文学家根据一个标准距离的

亮度来确定“绝对星等”的标度，一个标准距离规定为

10秒差距，

或

32.6光年。（1秒差距即一颗恒星显示出

1弧秒视差时的距

离；大约相当于

30万亿公里或

3.26光年。）

虽然五车二看起来比半人马座

α星和天狼星暗，但实际上它

发出的光比这两颗星中的任何一颗都要强得多。它之所以看起来

比较暗，只是因为它比这两颗星要远得多。如果它们都在标准距

离上，五车二则是最亮的一颗星。五车二的绝对星等为－0.1，天

狼星是

1.3，而半人马座

α星是

4.8。我们的太阳和半人马座

α星

的亮度差不多，绝对星等为

4.86，是一颗普通的中等大小的恒星。

现在我们再回头谈造父变星。1912年，哈佛天文台的一位天文学

勒维特对小麦哲伦云进行研究。南天中有两个巨大的恒星系统以麦

哲伦的名字而命名，这是因为麦哲伦船队在环球航行期间首先观察到它

们。在小麦哲伦云的恒星中，勒维特观察到

25颗造父变星。她记录下

每颗造父变星的变化周期，使她惊讶的是，她发现变化周期越长恒星的

亮度就越大。

与我们邻近的造父变星并没有这种关系，但小麦哲伦云中的

造父变星为什么会有呢？在我们邻近的恒星中，我们只知道造父

变星的视星等，不知道它们的距离或绝对星等，所以没有可以把一

颗恒星的变化周期与其亮度联系起来的标准。但是小麦哲伦云离

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我们太遥远了，这就像一个纽约市的人试图计算芝加哥市的每个

人同他之间的距离一样。他会得出这样的结论，所有芝加哥人都

差不多与他同样远——在长达上千公里的总距离上，差一两公里

又有什么关系呢？同样，小麦哲伦云远端的一颗恒星比近端的一

颗恒星也远不了多少。

由于小麦哲伦云中的恒星都处在离我们差不多同样远的距离

上，所以可以把它们的视星等作为比较它们的绝对星等的一种量

度。因此，勒维特可以把她看到的那种关系看成是一种真实的关

系，就是说，造父变星的周期随着绝对星等而平缓地增大。于是她

画出了一条周期-光度曲线，这条曲线可以表明具有任一绝对星等

的造父变星必定具有的周期，反过来，也可以表明具有一定周期的

造父变星必定具有的绝对星等。

假设造父变星在宇宙的任何地方都像在小麦哲伦云里一样

（一个合理的假设），那么，天文学家就有了一个测量距离的相对尺

度，不管造父变星有多远，只要能用最好的望远镜探测到，就可以

测量出它的距离。如果天文学家发现两颗周期相等的造父变星，

便可以认为它们具有相同的绝对星等。如果造父变星

A看上去

有造父变星

B的

4倍亮，那么造父变星

B必然有造父变星

A的

2

倍远。用这种方法，可以把所有观测到的造父变星的相对距离画

在一张比例图上。这样只要有一个造父变星的真实距离能够测定

出来，所有其他造父变星的距离就都可以确定了。

不幸的是，即使最近的造父变星——北极星——也有几百光

年远，无法用视差法测量出它的距离。天文学家必须采用间接的

方法。一个可以利用的线索是自行：一般来说，越远的恒星自行

就越小。（回想一下，贝塞尔断定天鹅座

61星比较近，就是因为它

有较大的自行。）为了测定星群的自行，人们使用了许多装置，还使

用了统计学方法。虽然过程很复杂，但终于测出了含有造父变星

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的各种星群的近似距离。根据那些造父变星的距离和视星等，便

可以确定它们的绝对星等，从而可以把绝对星等和周期作以比较。

1913年，丹麦天文学家赫兹普龙发现，一颗绝对星等为－2.3

的造父变星，周期是

6.6天。根据这一发现，并利用勒维特的周

期-光度曲线，他能够确定任何造父变星的绝对星等。（后来意外

地发现，造父变星一般都是又大又亮的恒星，比我们的太阳亮得

多。它们的亮度变化可能是脉动的结果。这些恒星似乎在不断地

膨胀与收缩，就像是在做深呼吸一样。）

几年以后，美国天文学家沙普利重复了这项工作，并断定一颗

－2.3绝对星等的造父变星周期为

5.96天。他们两人的结果如

此一致，天文学家们可以继续向前迈进了。他们有了自己的尺度。

确定银河系的大小

1918年，沙普利开始观测我们银河系的造父变星，想用这种

新的方法来确定银河系的大小。他重点观测球状星团中的造父变

星。球状星团是由几万至几千万颗恒星稠密地聚集在一起的球状

集合体，直径大约为

100光年。

这些星团（其性质一个世纪以前

W.赫歇耳就首次观测过）呈

现出完全不同于我们邻近空间的天文环境。在较大的星团中心，

恒星以每

10立方秒差距

500颗的密度聚集在一起，而在我们邻近

的空间中每

10立方秒差距只有一颗恒星。在这种情况下，星光会

比地球上的月光亮得多，假如在靠近这种星团的中心有一颗行星

的话，这颗行星将不会有黑夜。

在我们的银河系中约有

100个已知的球状星团，可能还有这

么多个未被发现。沙普利计算出，各个球状星团与我们的距离为

2万～20万光年。（最近的一个星团是半人马座

ω，它同最近的一

颗恒星一样，在半人马座里，用肉眼望去像是一颗星。最远的一个

最新科学指南（上）

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星团是

NGC2419，它距离我们太远了，几乎难以把它当作银河系

的成员。）

沙普利发现，这些星团分布在一个大球中，银道面从中间把大

球切成两半，它们像晕一样环绕着银河系主体的一部分。沙普利

自然地假设它们绕着银河系的中心转动。在他的计算中，他把银

河系中由球状星团组成的这个晕的中心点定在人马座方向上，距

离我们约

5万光年。这意味着，正如

W.赫歇耳及卡普坦曾认为

的那样，我们的太阳系根本不在银河系的中心，而是远处银河系的

一个边缘。

沙普利的模型把银河系描绘成一个直径为

30万光年的巨大

透镜。后来，另一种测量方法很快证明，这一次沙普利把银河系估

计得太大了。

从银河系的形状像一个圆盘这一事实出发，自

W.赫歇耳以

来，天文学家一直推测，它必定在空间旋转着。

1926年，荷兰天文

学家奥尔特开始测量这种旋转。因为银河系不是一块固体，而是

由无数单个恒星组成的，所以不能指望它像轮子那样一块旋转，而

是靠近圆盘引力中心的恒星必定比远处的恒星绕中心旋转得快

（就像离太阳越近的行星在轨道上运行越快一样）。因此，靠近银

心（即在人马座方向上）的恒星应该趋向于超前我们的太阳而移

动；而远离银心（即在双子座方向上）的恒星在公转中应该有落后

于我们的倾向。恒星离我们越远，速度的这种差异应该越大。

在这些假设的基础上，根据恒星的相对运动，就可以计算出绕

银心旋转的速率。由此推算出，太阳以及附近的恒星约以每秒

240公里（

150英里）的速率相对于银心公转，而公转一周需要

2亿

年左右。（太阳以接近于圆形的轨道远行，但有些恒星的轨道，如

大角星，就近乎于椭圆形。不过恒星的运行轨道并不完全平行，这

一事实正好说明太阳为什么朝着天琴座相对运动。）

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

于

1 000亿个太阳的质量。由于太阳比一般恒星的质量

大，因此银河系可能含有

2 000亿～3 000亿颗恒星，是

W.赫歇耳

估计数目的

3 000倍。

从旋转恒星的轨道曲线，还可以找出它们绕行的中心。天文

学家使用这个方法证实银河系的中心在人马座的方向上，就像沙

普利所发现的那样，但离我们只有

27 000光年，而银河系的总直

径则为

10万光年，而不是

30万光年。在这个目前被认为是正确

的新模型中，圆盘在中心处的厚度约为

20 000光年，然后向边缘

逐渐变薄：我们的太阳位于从中心到边缘

2/3的地方，圆盘在这

里的厚度约为

3 000光年（见图

2-3）。但这些只是粗略的数字，

因为银河系并没有非常明确的边界。

图

2-3 从边缘处看到的银河系模型。球状星团散布在银河系中心

部分的四周。太阳的位置以＋表示

既然太阳这么靠近银河系的边缘，为什么我们看到的银河在

银心方向上并不比在相反的方向上（即我们朝边缘看的方向）更亮

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呢？朝人马座看去时，我们面对着银河系的主体，大约有

2 000亿

颗恒星，而向边缘望去时，只有几百万颗疏稀的恒星。可是，不论

在哪一个方向上银河带似乎都一样地明亮。这可能是因为巨大的

昏暗的尘埃云把银心大部分遮挡住了，我们无法看到。银河系外

围区域的质量，有一半大概是由这种尘埃气体云组成的。我们所

能看到的可能最多只有银心光亮的

1/10 000。

正因为这样，

W.赫歇耳及其他早期研究银河系的天文学家才

误认为太阳系在银河系的中心，而后来沙普利似乎也因此过高地

估计了银河系的大小。他所研究的一些星团因中间介入尘埃而变

得暗淡，所以这些星团里的造父变星显得比实际的亮度暗淡，因此

推算出的距离也比实际的远。

正在扩展的宇宙

甚至在银河系的大小和质量被确定之前，人们就已经利用麦

哲伦云中的造父变星来测定这个星云的距离了（勒维特绘制了周

期－光度曲线，这是一个关键性的发现）。结果证明，它至少和我

们相距

10万光年。现代最新的数字是，大麦哲伦云距离我们约

15万光年，小麦哲伦云约

17万光年。大麦哲伦云的大小不到银

河系直径的一半；小麦哲伦云的大小不到

1/5。此外，恒星的密集

程度也比较稀。大麦哲伦云含有

50亿颗恒星（不到我们银河系恒

星数目的

1/20），而小麦哲伦云仅含有

15亿颗恒星。

20世纪

20年代初期的状况是这样的：已知的宇宙直径不到

20万光年，由我们的银河系和它的两个邻居组成。于是产生了这

样一个问题，在此以外是否还有什么东西存在？

人们把怀疑的目光投注在某些明亮的云雾状的小斑上，称之

为星云（源自希腊语“云”），天文学家早就注意到它们了。法国天

文学家梅西耶早在

1781年就把其中的

103个编入了星表。（许多

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

星云至今仍沿用他所编的号码，在号码前面加上

M字样，表示为

梅西耶所编。）

这些星云状物质果真像人们所看到那样只是些云吗？有些星

云，如猎户座星云（荷兰天文学家惠更斯

1656年首次发现），似乎

就是一块气体尘埃云，猎户座星云的质量大约等于

500个我们的

太阳，由它内部的热星所照亮。然而，另一些星云状物质已经证明

是球状星团，是由恒星组成的巨大集体。

但是仍有一些发亮的云斑似乎一颗星也没有。那么，为什么

它们会发亮呢？1845年，英国天文学家

W.帕森斯（即罗斯勋爵）

使用他用毕生精力制成的

183厘米（

72英寸）望远镜，确认这些云

块中有一些具有旋涡结构，并命名为“旋涡星云”，但这无助于解释

发亮的原因。

这类星云中最为壮观的是位于仙女座里的仙女座星云，被称

为

M-31。德国天文学家马里厄斯

1612年首先研究的就是这块

星云。仙女座星云是一个拉长的卵形云块，发出暗淡的光，大约有

满月一半的大小。它会不会是由恒星组成的，只是由于太遥远，即

使用高倍望远镜也分辨不出来？如果真是这样，仙女座星云必然

是难以置信地遥远，并且难以置信的庞大，因为在这样遥远的距离

我们竟然还能看到它。（早在

1755年，德国哲学家康德曾猜测有

这种极远距离的恒星集合体存在，他称之为岛宇宙。）

20世纪初对这件事有过激烈的争论。美国天文学家万玛伦

报告说，仙女座星云在以可测量的速率旋转着。既然能测量到它，

它必定距离我们相当近。假若远在银河系之外，就会因为太远而

显示不出任何可以察觉到的运动。万玛伦的好朋友沙普利利用他

的结论提出了仙女座星云是银河系的一部分的论点。

反对这种说法的是美国天文学家柯蒂斯。尽管在仙女座星云

中看不到一颗星，但时常都有极其微弱的星在那里出现。柯蒂斯

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认为这是一种新星，一种会突然增加几千倍亮度的恒星。在银河

系时，这种恒星会发出短暂的非常亮的光，然后又暗淡下去，从而

结束；但在仙女座星云中，它们即使在最明亮时也不容易被看到。

柯蒂斯推断，新星之所以极其暗淡，是因为仙女座星云极其遥远。

仙女座星云中的普通恒星合在一起仍然太暗而不能被发现，因而

只能混合在一种微亮的云雾中。

1920年

4月

26日，柯蒂斯与沙普利举行了一次公开的辩论

会。虽然柯蒂斯的口才非常好，并对自己的立场作了令人印象深

刻的辩护，但总的来说是平分秋色。

但是几年后，事实证明柯蒂斯是对的。理由之一就是万玛伦

的数字被证明是错的。原因尚不能肯定，但即使最聪明的人也会

出错，而万玛伦显然是属于这种情况。

而后，1924年，美国天文学家哈勃在加利福尼亚州威尔逊山

上把新建成的

254厘米（

100英寸）望远镜对准了仙女座星云。

（这架望远镜是由

J. B. 胡克资助建造的，因此命名为胡克望远

镜。）这架强有力的仪器把仙女座星云的外缘部分分解成单个的恒

星，于是立即显示出，仙女座星云（或至少其中一部分）和我们的银

河相类似，那里可能就是所谓的“岛宇宙”。

在仙女座星云边缘的恒星中也有造父变星。利用这些测量标

杆，哈勃断定这个星云距离我们将近

100万光年！所以仙女座星

云非常遥远，远在银河系之外。考虑到它的距离，它的视大小表

明，它必定是一个巨大的恒星聚集，几乎可以和我们的银河系相匹

敌。

结果证明，其他一些星云状物质也是恒星的聚集，甚至比仙女

座星云更远。这些河外星云都被认定是星系——新的“宇宙”。这

些新的“宇宙”使我们的银河系的地位大为降低，成为空间的许多

星系之一。宇宙再一次扩大了。它比以前任何时候都要大，它的

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

宽度已不只是几十万光年，而可能是几十亿光年了。

旋涡星系

整个

20世纪

30年代，天文学家都在努力解决关于这些星系

的一些令人烦恼的问题。一则是，根据他们假设的这些星系的距

离，这些星系显然都比我们的银河系小得多。这似乎是一个奇怪

的巧合：我们正好居住在一个最大的星系中。二则是，仙女座星

系周围的球状星团的亮度似乎只有我们银河系中球状星团的

1/2

或

1/3。（仙女座星系的球状星团几乎和我们银河系一样多，并且

它们围绕着仙女座星系的中心排列成球形。这个发现似乎证明，

沙普利关于我们银河系的球状星团呈球形排列的假设是合理的。

有些星系球状星团多得惊人，例如在室女座里的

M-87星系，至

少拥有

1 000个。）

最严重的问题是，这些星系的距离似乎表明宇宙的年龄只有

20亿年（理由我将在本章后面讨论）。这是令人费解的，因为地质

学家认为地球本身的年龄大于

20亿年，而且他们所利用的证据被

认为是最可靠的。

第二次世界大战期间，这个问题才开始有了答案。当时一位

在德国出生的美国天文学家巴德发现，以前用来测量星系距离的

尺度是错误的。

1942年，巴德利用战时洛杉矶灯火管制的机会，在夜空清澈

的威尔逊山上，使用

254厘米（

100英寸）望远镜，对仙女座星系进

行了仔细研究。由于能见度增高，使他能够分辨出仙女座星系内

部区域的一些恒星。他马上注意到，这些恒星与这个星系的外围

恒星有显著的差异。在内部最亮的恒星带红色，而在外围最亮的

恒星则带蓝色。而且，内部的红巨星远不如外围的蓝巨星亮；后

者的亮度有我们太阳的

10万倍，而前者只有

1 000倍。最后，在

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仙女座星系的外围发现明亮的蓝星的地方，布满了尘埃；而在内

部，尽管是一些不太明亮的红星，却没有尘埃。

巴德认为，那里好像有两类具有不同结构和历史的恒星。他

把外围带蓝色的恒星叫做星族Ⅰ，而把内部带红色的恒星叫做星

族Ⅱ。后来证明，星族Ⅰ的恒星比较年轻，金属含量高，在星系的

中间平面上沿着近乎圆形的轨道绕星系中心运行。星族Ⅱ的恒星

则比较老，金属含量低，轨道呈明显的椭圆形，而且与星系的中间

平面有相当大的倾角。后来，这两个星族又被细分为更多的次

群。

战后，由美国天文学家海耳监制的新

508厘米（

200英寸）海

耳望远镜在帕洛马山上落成，巴德继续进行他的研究。他发现，这

两个星族在分布上有一定的规律性，而这些规律是由有关星系的

性质决定的。有一类星系叫做椭圆星系（呈椭圆形状，而且具有较

均匀的内部结构），这类星系显然主要是由星族Ⅱ的恒星组成的，

如同任何星系中的球状星团那样。另一类叫做旋涡星系（具有旋

臂，看上去就像一个玩具风车），它的旋臂是由星族Ⅰ的恒星组成

的，相对于星族Ⅱ背景。

据估计，宇宙中只有大约

2%的恒星属于星族Ⅰ类。但是我

们的太阳和我们附近的一些熟悉的恒星都属于这一类。仅根据这

一事实，我们就可以推断，我们的银河系是一个旋涡星系，而我们

位于它的一个旋臂上。（因为银河系的旋臂聚集着尘埃，因此在我

们的附近有许多或明或暗的尘埃云。）从照片上可以看出，仙女座

星系也是旋涡星系。

现在再来谈尺度。巴德开始把在球状星团（星族Ⅱ）中发现的

造父变星和在我们这一旋臂（星族Ⅰ）上发现的造父变星加以比

较。结果表明，就周期和光度之间的关系来说，两个星族里的造父

变星确实属于两种不同的类型。星族Ⅱ的造父变星遵循勒维特和

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

沙普利建立的周期-光度曲线。利用这一尺度，沙普利相当准确

地测量了球状星团的距离和我们银河系的大小。但是，现在发现，

星族Ⅰ的造父变星是一种完全不同的尺度！一颗星族Ⅰ的造父变

星的光度是一颗周期相同的星族Ⅱ的造父变星的

4倍或

5倍。因

此，使用勒维特的尺度，根据一颗星族Ⅰ造父变星的周期，来计算

它的绝对星等，就会得出错误的结果。绝对星等错了，距离的计算

也一定是错的：这颗恒星实际上要比计算出来的距离远得多。

哈勃曾利用仙女座星系外围（星族Ⅰ）的造父变星来推估仙女

座星系的距离，当时只有这些造父变星能够辨认出来。现在，利用

修正了的尺度，测出这个星系距离我们大约

250万光年，而不是不

到

100万光年。其他星系也按比例向外推移。（但是，仙女座星系

仍然是我们的一个近邻，星系间的平均距离估计约为

2 000万光

年。）

就这么一修正，已知宇宙的范围就扩大了一倍多，

30年代困

扰的问题也迎刃而解了。我们的银河系不再是最大的了，例如，

仙女座星系就肯定比我们的银河系大。再者，现在看来，仙女座星系

的球状星团同我们银河系的一样亮；以前只是因为距离计算错了

而觉得它们比较暗。最后，新的距离标准可以使宇宙的年龄剧增，

从而使宇宙的年龄能和地质学家所估计的地球的年龄一致起来

了。（我将在后面说明理由。）

星系团

星系的距离加倍并没有使宇宙大小的问题完全解决。我们现

在必须考虑由星系团和星系团集团组成的更大系统的可能性。

事实上，现代望远镜已经证实，星系团确实存在。例如，后发

星座里有一个巨大的椭圆形的星系团，直径约为

800万光年。后

发星系团含有大约

11 000个星系，彼此间的平均距离只有

30万

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光年。（而在我们附近的星系团中，星系间的平均距离大约是

300

万光年。）

我们的银河系似乎是本星系群的一部分，本星系群包括麦哲

伦云、仙女座星系和它附近的三个小伴星系，加上一些其他星系，

共有

19个成员。这些成员中，由意大利天文学家马费伊首先报道

的马费伊

1和马费伊

2直到

1971年才被发现，这是因为在它们和

我们之间有尘埃云，只有透过这些尘埃云才能探测到它们。

在本星系群中，只有我们的银河系、仙女座星系和两个马费伊

星系是巨星系，其余的都是矮星系。矮星系之一的

IC1613可能

只含有

6 000万颗恒星，几乎并不比一个大的球状星团大。在星

系中，如同在恒星中一样，矮星系比巨星系多得多。

如果星系的确组成星系团，星系团又组成更大的集团，这是否

意味着宇宙会无限地扩展下去，空间是无限的呢？或者宇宙和空间

都有尽头？现在天文学家能辨认出大约

100亿光年远的天体，在

那里它们似乎达到了一个极限。要知道为什么，我必须把讨论的

方向稍微转移一下。我们已经讨论了空间，下面让我们来讨论一

下时间。

宇宙的诞生

神话作者们编造了许多创造宇宙的奇异故事（通常主要涉及

地球本身，而把其余一切都当作“天空”或“天”干脆不予考虑）。一

般来说，这些神话都把世界诞生的时间定在不太遥远的过去。

我们最熟悉的创世故事当然是《创世纪》第一章了，有人认

为，它是根据巴比伦神话改编的，后来只是加强了诗的美感和道德

的色彩。

人们作过各种努力，试图根据《圣经》上记载的数据推算出创

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

世的日期（例如不同国王在位的年代、希伯来人从出埃及到奉献所

罗门神殿的时间、大洪水前后亚伯拉罕、以赛、雅各和他们的祖先

的年龄等等）。中世纪的犹大学者把创世的日期定在公元前

3760

年，至今犹太历仍从那个日期开始计算年代。

1658年，英国圣公

会的厄谢尔算出创世的日期为公元前

4004年，而附和者将日期更

精确地定在那一年

10月

22日的下午

8点。希腊正教会的一些神

学家则将创世日定在公元前

5508年。

甚至迟至

18世纪，《圣经》上的说法仍为学术界所接受，宇宙

的年龄被认为只有

6 000～7 000年。1785年，苏格兰博物学家赫

顿出版了一本名为《地球论》的书，使这种观点第一次受到沉重打

击。赫顿一开始就提出这样一个命题，即地球表面上发生的缓慢

的自然过程（如高山的形成和侵蚀，河道的冲凿，等等），在整个地

球史上都是以大致相同的速率进行的。这个均变说意味着，这些

过程必然进行了相当长的时间才产生出这些可以观测到的现象。

因此，地球的年龄绝不止几千年，而是几百万年。

赫顿的观点立即受到嘲笑，但却渐渐地起了作用。

19世纪

30

年代初期，英国地质学家

C.赖尔重申了赫顿观点，并在三卷巨著

《地质学原理》中提出了鲜明有力的证据，使科学界赢得了胜利。

现代地质学可以从他的著作之日算起。

地球的年龄

许多人试图以均变说为基础来计算地球的年龄。比方说，假

若有人知道每年因水的作用而产生的沉积物的量的话（现代的估

计是每

880年

30.48厘米），那么，他就可以由沉积岩的厚度计算

出它的年龄。但是人们很快就明白了，用这个方法无法精确地确

定地球的年龄，因为侵蚀、碎裂、隆起及其他力量的作用使岩石的

记录变得模糊不清。尽管如此，就连这种不完全的证据也表明，地

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球的年龄至少有

5亿年。

另一个测定地球年龄的方法，是估计海洋中盐分的聚集率，这

个方法是哈雷在

1715年首先提出来的。

河流不断地将盐冲到海中，因为淡水通过蒸发而离开海洋，所

以盐的浓度逐渐增加。假设海洋一开始全是淡水，那么河流要使

海洋有

3%的含盐量必须要有

10亿年的时间。

这个巨大的年龄非常符合生物学家们的需要。

19世纪后半

叶，生物学家试图描绘出生物从原始的单细胞生物发展到复杂的

高等动物的缓慢进程。他们需要漫长的时间来发生这一过程，而

10亿年给了他们足够的时间。

可是，到了

19世纪中叶，天文学上的一些问题突然变得复杂

起来。例如，能量守恒定律提出了一个与太阳有关的有趣的问题。

太阳不断喷出大量的能量，而且有史以来一直如此。假若地球存

在了无数世纪，那么太阳的这些能量是从哪里来的呢？它不可能

来自人们通常熟悉的能源。假如太阳一开始就是在氧的大气中燃

烧的煤块，那么，按照它释放能量的速率来计算，在

2 500年中就

会全部变成二氧化碳。

德国物理学家亥姆霍兹是提出能量守恒定律的科学家之一，

对太阳特别感兴趣。

1854年，他指出，假如太阳正在收缩，它的质

量在向重心下落的过程中会得到能量，就像石块下落时得到能量

一样。这种能量可以转变为辐射。亥姆霍兹计算出，太阳只要缩

小

1/10 000的半径，就能够给它提供

2 000年释放的能量。

后来被称为开尔文勋爵的英国物理学家

W.汤姆孙对此做了

更多的研究，并据以推断地球的年龄不可能超过

5 000万年，因为

根据太阳消耗能量的速率来看，太阳要缩小到今天这样大，最初一

定会和地球公转轨道一样庞大。（这个假设当然也意味着，金星一

定比地球年轻，而水星更年轻。）W.汤姆孙进而估计，假如地球本

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

身开始时是一团熔融的物质，那么，冷却到现在的温度所需的时

间，也就是它的年龄，大约是

2 000万年。

到

19世纪

90年代，对立的双方拉开了阵势。物理学家似乎

已肯定地证明，地球以固态存在绝不会超过几百万年，而地质学家

及生物学家似乎也同样肯定地证明，地球以固态存在必定超过

10

亿年。

之后，一些完全没有预料到的新发现瓦解了物理学家的阵垒。

1896年，放射性的发现使问题得到了澄清，地球的铀元素和

其他放射性物质会释放出大量的能量，并且已经进行了很长的时

间。正如

1904年新西兰出生的英国物理学家卢瑟福在一次演讲

中首先指出的，这个发现使

W.汤姆孙的计算变得毫无意义。已

经上了年纪的

W.汤姆孙本人也听了这次演讲，并表示不同意卢

瑟福的观点。

如果不把放射性物质不断提供给热量这一事实考虑在内，而

试图确定地球冷却的时间，那是没意义的。有了这个新的因素，地

球从一团熔融的物质冷却到现在的温度，可能所需要的时间就不

是几百万年，而是几十亿年了。地球甚至可能因放射性物质供给

热量而愈来愈热。

实际上，放射性本身终于给地球的年龄提供了最可靠的证据

（使用的方法将在后面第六章中叙述），因为它可以使地质学家及

地球化学家直接从岩石中铀和铅的含量计算出岩石的年龄。利用

放射性时钟，现在已经知道，地球上的某些岩石年龄超过了

30亿

年，而且有充分的理由认为，地球的年龄要比岩石的年龄大。地球

以目前的固态形式存在的年龄为

46亿年，这个年龄现在是可以为

人们接受的。从我们的近邻月球上带回来的一些岩石，证明月球

差不多也是同样的年龄。

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太阳与太阳系

太阳的情况又是怎样的呢？放射性及有关原子核方面的发

现，引出了一个新的能源，比我们以前知道的任何能源都大得多。

1903年，英国物理学家爱丁顿经过一系列的思考后提出，太阳中

心的温度和压力一定非常高：温度可高达

1 500万度。在这样的

温度和压力下，原子核可以进行在温和的地球上无法进行的反应。

人们知道，太阳主要是由氢构成的。若

4个氢核结合成

1个氦原

子，这些氢核就会释放出大量的能量。

1938年，德国出生的美国物理学家贝特提出，在像太阳一类

的恒星中心，将氢结合成氦有两种可能的方式：一种是直接由氢

转换成氦；另一种则以碳原子作为中间媒介。在恒星中，这两种反

应都可能发生；而在我们的太阳中，直接将氢转换成氦似乎是主要

的机制。（爱因斯坦在

1905年提出的狭义相对论中已经证明，质

量和能量是同一事物的两个不同的方面，可以相互转化；而且还证

明，少量的质量转化能够释放出巨大的能量。）

太阳辐射能量的速率要求太阳每秒减少

420万吨的

质量。乍看之下，这个损失似乎大得吓人，但太阳的总质量为

22 000 000 000 000 000 000亿吨，因此每秒只损失其质量的

0.000 000 000 000 000 000 2‰。如果太阳真的像科学家们现在认

为的那样已经存在了

50亿年，而且一直按现在的速率辐射能量的

话，它也只是损耗了其质量的

1/33 000而已。由此不难看出，在

今后的几十亿年内，太阳还能继续按照目前的速率辐射能量。

到了

1940年，人们认为，整个太阳系的年龄约为

50亿年看

来是合理的。有关宇宙年龄的全部问题大概可以解决了，但是天文

学家们又陷入了新的困境。现在整个宇宙的年龄显得太年轻了，

因而无法解释太阳系的年龄。这个麻烦是由天文学家对远星系的

探测和奥地利天文学家多普勒

1842年首先发现的一种现象引起

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

大家都非常熟悉多普勒效应，最常见的实例就是火车通过时

的汽笛声：当火车接近时笛声音调升高；而当火车远离时音调降

低。音调的变化就是因为声源的运动使每秒钟撞击在耳膜上的声

波数目改变了。

正如多普勒所指出的，多普勒效应不仅适用于声波，也适用于

光波。当运动着的光源的光波到达眼睛时，如果光源移动得够快

的话，频率会发生移动，就是说，颜色会发生改变。譬如说，假若光

源向着我们运动，每秒钟就会有较多的光波挤进我们的眼睛，我们

所看到的光就会向可见光谱的高频端（即紫端）偏移；反之，如果光

源远离我们而去，每秒钟到达的光波就较少，于是光就会向可见光

谱的低频端（即红端）偏移。

天文学家对恒星的光谱进行了长期的研究，因此非常熟悉正

常的光谱图。这种光谱图或是在黑暗背景上的亮线图样，或是在

明亮背景上的暗线图样。亮线或暗线表示原子在某些波长（或颜

色）上对光线的发射或吸收。通过测量正常光谱线朝可见光谱红

端或紫端的位移，天文学家能够计算出恒星移向我们或远离我们

的速度，即视向速度。

1848年，法国物理学家斐索指出，注意光谱线的位置能够取

得观测光的多普勒效应的最佳效果。因此，人们把光的多普勒效

应称为多普勒

-斐索效应（图

2-4）。

多普勒－斐索效应已经应用在各个不同的方面。在我们的太

阳系内，它可以用来以一种新的方式证实太阳的自转。在太阳自

转的过程中，太阳正在转向我们的边缘所发出的光谱线会向紫端

偏移（紫移）。而另一边缘则显示出红移，因为这一边缘正在远离

我们而去。

诚然，太阳黑子的运动是探测太阳自转的更好而且更明显的

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图 2-4多普勒－斐索效应。当光源靠近时，光谱线会移向紫端（左

边）；而当光源远离时，光谱线则移向红端（右边）

方法（已由此得知，太阳相对于恒星的自转周期大约是 26天）。不

过，多普勒效应可以用来测定没有特征的天体的自转，如土星

环。

多普勒－斐索效应可以用于任何距离的天体，只要能使那些天

体产生出可供研究的光谱。因此，它最突出的成果是在恒星的研

究方面。

1868年，英国天文学家 W.哈金斯测量了天狼星的视向速度，

并宣布它正在以每秒 47公里（ 29英里）的速度远离我们而去。

（现在我们已有更精确的数字，但他第一次就能做到这种地步，已

经是相当精确了。）到 1890年，美国天文学家 J. E. 惠勒使用更精

确的仪器，取得大量可靠的数据。例如，他指出，大角星正在以每

秒 6公里（3.75英里）的速度接近我们。

多普勒－斐索效应甚至能够用来确定望远镜无法分辨的恒星

系统是否存在。例如 1782年，英国天文学家古德里克（他是一个

聋哑人，死时才 22岁。他虽然身体残废，却是一个第一流的天才）

研究了大陵五，发现它的亮度有规律地增强和减弱。古德里克对

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

这种现象的解释是，假设有一颗暗伴星围绕着大陵五运行，周期性

地从它前面经过，从而掩食了它，使它的光线变暗。

过了一个世纪，这个似乎可能的假说才得到另一个证据的支

持。1889年，德国天文学家沃格尔指出，大陵五的光谱线交替发

生红移和紫移，并且和它的明暗变化相吻合。一开始大陵五远离

我们，而暗伴星朝我们靠近；然后大陵五朝我们靠近，而暗伴星远

离我们。大陵五被看成是一颗食双星。

1890年，沃格尔发现了一种类似而且更普遍的现象。他发

现，有些恒星是既前进又后退，就是说，光谱线同时显示红移和紫

移，就像双重线一样。沃格尔的结论是，这种星是一种食双星，两

颗子星（都是亮星）靠得非常近，甚至用最好的望远镜看上去还是

像一颗单独的星。这类双星叫做分光双星。

不过，我们没有必要把多普勒－斐索效应局限在我们银河系的

恒星上，银河以外的天体也可以用这种方法来研究。

1912年，美

国天文学家斯里弗在测量仙女座星系的视向速度时发现，这个星

系正在以大约每秒

200公里（125英里）的速度朝我们运行。可

是，当他继续观测其他星系时，发现它们中大部分都在远离我们而

去。1914年，斯里弗获得

15个星系的数据，其中有

13个都在以

每秒数百公里的速度急速退行。

随着对这些线索的继续研究，情况变得更加明朗了。除了几

个最近的星系外，所有的星系都在远离我们而去。而且，随着技术

的进步，使人们能够探测到更暗而且可能是更远的星系，观察到的

红移也进一步增加了。

1929年，在威尔逊山天文台的哈勃提出，这些星系的退行速

度在有规律地增加，一个星系的退行速度与其距离成正比。如果

星系

A远离我们的距离是星系

B的

2倍，那么星系

A的退行速

度就是星系

B的

2倍。这个规律有时叫做哈勃定律。

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后来的观测确实进一步证实了哈勃定律。1929年初，在威尔

逊山的哈马逊使用

254厘米（

100英寸）望远镜获得更加暗弱的一

些星系的光谱。他所能观测到的最远的星系在以每秒

40 000公

里（25 000英里）的速度退行。

508厘米（

200英寸）望远镜开始启

用后，可以观测到的星系更为遥远；到

20世纪

60年代，可以观测

到的星系竟如此遥远，退行速度高达每秒

24万公里（15万英里）。

为什么会这样呢？设想一个表面涂满小点的气球，当气球膨

胀时，小点便各自远离。假若有个小人站在任意一点上，在他看

来，其他所有的点似乎都远离他而去，而且离他越远的点远离得越

快。不论他站在哪一个点上，效果都会是一样的。

星系的行为使人们觉得宇宙仿佛正在膨胀，就像膨胀着的气

球一样。天文学家现在大都承认了这一膨胀的事实，而且对爱因

斯坦广义相对论中“场方程”的解释，能够与膨胀宇宙相符合。

大爆炸

假若宇宙一直在不断地膨胀，那么，可以合理地设想，它在过

去应该比现在小；而且在很久很久以前的某一时候，它是由一个致

密的物质核开始的。

1922年，苏联数学家

A. A. 弗里德曼首先指出这种可能性。

那时哈勃并未提出退行星系的证据，弗里德曼完全是从理论出发

利用爱因斯坦方程进行研究的。可惜

3年后仅

37岁的

A. A. 弗里

德曼死于伤寒，因而他的成果鲜为人知。

1927年，比利时天文学家勒梅特，在显然不知道

A. A. 弗里德

曼成果的情况下，研究出了类似的膨胀宇宙学说。由于宇宙一直

在膨胀，所以在过去某一时刻它会相当小而密度非常大，勒梅特称

之为宇宙蛋。根据爱因斯坦方程，宇宙只能膨胀；而由于它的巨大

密度，膨胀一定是从超级爆炸的冲击开始的。今天的星系就是宇

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

直到

20世纪

30年代和

40年代，俄国血统的美国物理学家伽

莫夫才真正普及了这个宇宙起源于爆炸的观念。他称这个起始的

爆炸为大爆炸。从此这个名字就流传开了。

可是并不是每个人都同意大爆炸是膨胀宇宙的开始。1948

年，两位奥地利天文学家邦迪和戈尔德提出一种理论，承认膨胀宇

宙但否定大爆炸。后来英国天文学家霍伊尔发展并普及了这个理

论。在星系散开的过程中，星系之间又形成新的星系；形成新星系

的物质是无中生有的，而且运动的速度非常缓慢，用现在的技术无

法测出。结论是，宇宙自始至今基本上保持着同一状态。在过去

无数个纪元中，它看上去就是现在这个样；在未来的无数个纪元

中，它看上去还是现在这个样子，因此既没有开始也没有结束。这

种理论被称为连续创生论，由此形成一个稳恒态宇宙。

在十多年的时间里，大爆炸和连续创生论的争论非常激烈，但

没有实际的证据来决定哪一个对。

1949年，伽莫夫指出，假若大爆炸曾经发生，伴随而生的辐射

在宇宙膨胀过程中应该损失能量，而现在应该以射电辐射的形式

存在，作为一个均质背景从天空的四面八方射来。这种辐射在绝

对温度

5K（-268℃）时应该是天体的特征。美国物理学家迪克进

一步发展了这一观点。

1964年

5月，德国出生的美国物理学家彭齐亚斯和美国射电

天文学家

R. W. 威尔孙接受迪克的建议，探测到与伽莫夫预见的

特征非常相似的射电波背景，它显示出宇宙的平均温度为绝对温

度

3度。

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大多数天文学家认为，射电波背景的发现为大爆炸理论提供

了结论性的证据。现在一般都接受大爆炸曾经发生的说法，而放

弃了连续创生论的观点。

但是大爆炸是何时发生的呢？

由于红移容易测量，所以我们相当确切地知道星系退行的速

度。但是我们还必须知道星系的距离。距离越大，作为退行速度

的结果，到达它们现在位置所需的时间也就越长。但距离并不容

易确定出来。

一般认为宇宙年龄应为

150亿年。假若一个纪元是

10亿年，那么

大爆炸发生在

15个纪元前，虽然也可能发生在

10个纪元或

20个纪元

前。

大爆炸以前的情况又是怎样的呢？宇宙蛋是从哪里来的呢？

有些天文学家猜测，宇宙实际上是由缓慢凝结而成的非常稀

薄的气体开始的，可能先形成恒星和星系，而后继续收缩，在一次

大紧缩中形成一颗宇宙蛋。宇宙蛋随即在大爆炸中炸开了，重新

形成恒星和星系，但现在正在膨胀中，直到某一天它将再一次变成

稀薄的气体。

事实可能就是如此，如果我们展望未来，宇宙将一直膨胀下去

而变得越来越稀薄，密度越来越小，越来越接近真空状态。如果我

们朝过去看，追溯到大爆炸以前，并设想时间向后推移，则宇宙似

乎也是一直在膨胀并趋向真空。

这种“一次收缩，一次膨胀”的宇宙叫做敞开宇宙。

现在没有（可能永远也不会有）一种方法，能够找到任何证据，

说明大爆炸以前发生的事情。有些天文学家甚至不愿意去思考这

件事，最近有些争论认为，宇宙蛋是无中生有的，因此没有“一次收

缩，一次膨胀”的宇宙，而只有一个“一次膨胀”的宇宙——仍然是

一个敞开宇宙。

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

根据这种假设，情况可能是这样，在一个空无一物的无垠大海

中，在不同的时间可能发生过无数次大爆炸，因此我们的宇宙只是

无限多个宇宙中的一个，每一个宇宙都有它自己的质量、自己的发

展点和自己的一套自然规律亦未可知。可能只有自然定律的不寻

常的组合才会形成星球、星系及生命，而我们处在一个如此不寻常

的状况中，就是因为我们不能在任何其他的宇宙里生存。

不用说，现在还没有宇宙蛋无中生有的证据，也没有多个宇宙

的证据，或许永远也不会有这种证据。但是，如果不让科学家在缺

乏证据的情况下进行一些富有想象力的猜测，宇宙将会是一个粗

糙的世界。

就此而言，我们能够肯定宇宙将永远膨胀下去吗？它是在抗

拒自身引力吸引的情况下膨胀的；而引力可能足以使退行的速度

减慢到零，最后造成收缩。宇宙可能先膨胀后收缩，形成大紧缩，

再次消失成一无所有——或者反转过来再度膨胀，然后有一天再

次收缩，形成无休止的振荡系列，无论是哪一种情况，我们都称之

为闭合宇宙。

太阳的死亡

即使宇宙无限地膨胀下去，对各个星系或星系团也不会有任

何直接的影响；即使所有的远星系退行再退行，直到最好的仪器也

观测不到它们，我们的银河系仍然会保持完整，它的子星会被牢固

地吸引在引力场内，本星系群中的其他星系也不会离开我们。但

是我们星系的内部变化是不能绝对排除的，虽然这些变化跟宇宙

膨胀无关，但可能会给我们的行星及其表面上的生命造成灾难。

大体变化的整体观念是现代才有的。古希腊哲学家，特别是

亚里士多德，相信天空是完美而不变的。所有的变化、堕落与衰退

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都局限在最低的星球——月球——以下的不完美区域。这似乎只

是普通的常识而已，确实，一代又一代，一世纪又一世纪，天上没有

什么重大的变化。诚然，偶尔会有神秘的彗星不知从哪里冒出来，

行踪无常，用薄薄的面纱遮住其他星体，朦胧的尾巴犹如魔鬼飘动

着的长发，完全是一副邪恶的面目，但是这类天体每个世纪用肉眼

只能看见

25个左右。（彗星将在下一章中详细讨论。）

亚里士多德试图使这些鬼怪现象与天是完美的观念相一致，

他坚持认为，彗星属于腐化的大气和变化的地球。这个观念一直

持续到

16世纪末。但是，

1577年（在还没有望远镜的年代），丹麦

天文学家第谷试图测量一颗明亮彗星的视差，却无法测出。因为

月球的视差可以测到，所以第谷不得不下这样的结论：彗星远在

月球以外，而且天上有变化与不完美（罗马哲学家塞涅卡在公元

1世纪曾怀疑有这种变化。）

事实上，人们观察到恒星的变化要比这个时间早得多，但显然

没有引起多大的好奇心。例如有些变星每夜都有显著的亮度变

化，甚至用肉眼就可能观察到。可是没有一位希腊天文学家提到

过任何恒星的亮度变化。可能是这些文献早已遗失了，也可能希

腊天文学家有意不去观察这些现象。有一个恰当而有趣的例子就

是英仙座第二颗最亮的星大陵五。它先失去

2/3的亮度，然后又

恢复到原来的亮度，如此每

69小时循环一次。（由于古德里克和

沃格尔的发现，我们现在已经知道，大陵五有一颗暗伴星，每隔

69

小时与它交食一次，使其变暗。）希腊天文学家没有大陵五变暗的

记载，而中古时代的阿拉伯天文学家也没有这种记载。但是希腊

人在星图中把这颗星标在一个会把人变成石头的恶魔墨杜萨的头

上；而大陵五的名字在阿拉伯语中意为“恶魔”。显然古人对这颗

奇怪的星感到不安。

鲸鱼座中有一颗恒星叫鲸鱼座ο，变化无常。有时它像北极

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

星一般明亮；有时又消失得无影无踪。希腊人和阿拉伯人都不曾提

到过它，而在

1596年第一次报道它的是荷兰天文学家

D. 法布里

齐乌斯。它后来被命名为刍藁增二（即鲸鱼座ο，拉丁语为“奇妙

的”意思）。天文学家从那时开始才渐渐地不害怕天象的变化了。

新星与超新星

更加明显的是天上突然出现新星，希腊人对此不可能完全忽

略掉。据说喜帕恰斯于公元前

134年在天蝎座中看到这样一颗新

星，留下十分深刻的印象，于是绘制出第一张星图，以便将来能比

较容易地找到新星的位置。

1054年，在金牛座中人们又看到一颗特别亮的新星，它超过

了金星的亮度，并且在几周的时间里白天都可以用肉眼看到。中

国和日本的天文学家精确地记录了它的位置，他们的记录一直流

传到现在。当时在西方天文学发展很慢，以至于没有一份欧洲人

对这次明显事件的记录留存下来，大概是根本没有记录。

1572年，当在仙后座出现了一颗和

1054年一样亮的新星时，

情况就不同了。欧洲的天文学已经从长睡中苏醒过来，年轻的第

谷仔细地观察了这颗新星，并写了《论新星》一书。根据这个书名，

新发现的恒星开始被称为新星。

1604年，在巨蛇座中也出现了一颗令人注目的新星，它不像

1572年出现的那一颗那么亮，但比火星耀眼。开普勒观测到了这

颗新星，也写了一本有关这方面的书。

望远镜发明之后，新星变得不那么神秘了。当然它们根本不

是什么新的恒星，只不过是比较暗的恒星忽然变得明亮可见罢了。

随着时间的推移，被发现的新星数目越来越大。它们有时在

几天之内亮度就增加几千倍，然后在几个月的时间里又慢慢地暗

弱下去，恢复到原来的模糊状态。每个星系（包括我们的银河系在

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内）每年约有

20个新星出现。

从对新星形成时发生的多普勒-斐索频移的研究中，以及从对

新星光谱的某些其他细节的研究中，已经查明新星是正在爆发的

恒星。在某些情况下，喷向空间的恒星物质被恒星的剩余部分所

照亮，看上去像是一个正在膨胀的气体壳层。

总的来说，近代出现的新星并不特别亮。最亮的是天鹰座新

星，它

1918年

6月出现在天鹰座。这颗新星最亮时几乎和天狼星

一样，成为天空最亮的一颗星。但是，没有出现过像第谷和开普勒

所看到的那样的新星，亮得可以和木星、金星等亮行星媲美。

自从使用望远镜以后发现的最亮的一颗新星也没有那么亮。

这颗新星是德国天文学家哈维希

1885年发现的；可是即使在它最

亮时也只有七等，肉眼是根本看不见的。

这颗新星出现在仙女座星云中，它的最大亮度为仙女座星云

亮度的

1/10。当时没有人知道仙女座星云距离有多远，也不了解

它是一个由几千亿颗恒星构成的星系、所以这颗新星明显的亮度

并没有引起人们的注意。

在柯蒂斯和哈勃计算出仙女座星系（当时的叫法）的距离之

后，回想

1885年那颗光辉灿烂的新星，天文学家们大为震惊。柯

蒂斯和哈勃在仙女座星系中发现的几十颗新星都比那颗新星暗弱

得多。

1934年，瑞士天文学家兹威基开始在远星系中系统地寻找特

别明亮的新星。像

1885年仙女座星系中那颗新星一样放射光芒

的新星，都会被观测到，因为这种新星像整个星系一样明亮，因此

只要能看见星系，就能看见新星。到

1938年，兹威基找到了

12颗

这种和星系一样亮的新星，他把这些亮度极不寻常的新星叫做超

新星。结果，

1885年发现的那颗新星最后被命名为仙女座

S，S代

表超新星。

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

一般新星的绝对星等平均为－8（假若在

10秒差距的距离观

测的话，它们的亮度是金星的

25倍）。一颗超新星的绝对星等可

能高达－17。这样的超新星将是一般新星亮度的

4 000倍，或将

近太阳亮度的

1亿倍——至少在最大亮度时是这样。

回顾

1054年、1572年和

1604年所发现的新星，也是超新星。

而且，它们必然发生在我们的银河系，才会有那么明亮。

细心的中国人在远古和中古时期记载的许多新星中必定也有

一些是超新星。早在公元

185年就有一次这样的报道；而

1006年

在远南天豺狼座出现的超新星、可能是历史上最亮的一颗星。它

的亮度可能是金星的

200倍或满月的

1/10。

根据遗迹来判断，天文学家们猜测，

11 000年前在远南天船帆

座曾出现过一颗更明亮的超新星（亮度可能实际上与满月差不

多），可惜当时还没有天文学家观察天象，也还没有发明书写的艺

术。不过，可能有些史前时代的石壁画描绘了有关这颗新星的情

况。

超新星在物理性质上和一般新星有很大的不同，所以天文学

家们正在热心地详细研究它们的光谱。主要困难是它们很稀少。

一个星系通常大约

50年出现一颗超新星。尽管到目前为止天文

学家已经找到了

50多颗，可惜都在远星系，无法进行详细研究。

仙女座

1885超新星是近

350年来距离我们最近的一颗，而在它出

现之后

20年天文摄影才得到长足的发展，因此没有留下这颗超新

星的永久性的光谱记录

①。

然而，超新星在时间上的分布是随意的。在某个星系中，仅最

近

17年间便探测到

3颗超新星。现在的天文学家可能会被证明

①最新的记录是：1987年在南天大麦哲伦云中出现的超新星

1987A，

肉眼都能看见。——译注

最新科学指南（上）

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是幸运的。实际上，现在就有一颗特殊的恒星正在引起人们的注

意。船底座

η星明显地不稳定，它发生明暗变化已有相当一段时

间。1840年，它变得非常亮，成为天空中的第二颗最亮的星。许

多征兆表明，这颗星好像即将要爆发成为一颗超新星。但问题是，

对天文学家来说，这个“将要”可能是明天，也可能是今后

10 000

年。

此外，船底座同船帆座和豺狼座一样，因过于偏南，所以即使

有超新星爆发，从欧洲或从美国的大部分地区也看不到。

但是，恒星爆发而发亮是由什么引起的呢？为什么有些成为

新星，而有些成为超新星呢？要回答这个问题我们必须暂离本题。

早在

1834年，贝塞尔（即后来首先测出一颗恒星视差的那位

天文学家）已经注意到，天狼星及南河三的位置每年都稍有移动，

而从移动的方式来看，似乎与地球的运动无关。它们的运动不是

直线进行，而是呈波浪状，因此贝塞尔断定，它们必定在各自的轨

道上绕着某个东西转动。

从天狼星与南河三在轨道上运动的方式来看，它们各自围绕的

“东西”必定具有不亚于一颗恒星的强大引力。特别是天狼星的伴

星，它必须具有太阳一样大的质量，才能解释这颗亮星的运动。因

此伴星被断定为恒星；但是因为当时用望远镜观测不到，所以被称

之为暗伴星。它们被认为是随着时间的推移而正在变暗的老恒星。

之后，1862年，美国仪器制造家

A.克拉克在试验一台新的望

远镜时，看到了天狼星附近的一颗暗星；进一步深入观测，结果证

明这颗星果然就是那颗伴星。现在称天狼星本身为天狼

A星，称

那颗伴星为天狼

B星，天狼

A星和天狼

B星都以

50年的周期围

绕着一个相互的引力中心运行。天狼

B星的绝对星等只有

11.2，

虽然质量和太阳差不多，亮度却只有太阳的

1/400。

天狼

B星似乎是一颗正在衰亡的恒星。可是，

1914年，美国

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

天文学家

W. S.亚当斯在研究了天狼

B星的光谱之后，断定它必

然和天狼

A星本身一样热，比我们的太阳还要热，因为在它的光

谱中发现了一些特殊的吸收线，而产生这些吸收线的原子振动只

有在非常高的温度下才能发生。但是，既然天狼

B星那么热，为

什么还会那么暗呢？唯一可能的答案是，它比我们的太阳小得多。

因为温度较高，单位表面积放射的光就比较多；可是它的总发光量

小，所以它的总面积必定小。事实上，我们现在知道，这颗星的直

径不会大于

11 000公里（

6 900英里）；尽管具有与太阳相等的质

量，体积却比地球小！所有的质量挤压在这么小的体积内，其平均

密度会是铂的

130 000倍。

这完全是一种崭新的物质状态。幸运的是，这时物理学家已

经能够毫不困难地作出回答。他们知道，在一般的物质中，原子是

由非常小的粒子组成的。由于粒子非常微小，所以原子的大部分

体积是“空的”空间。在极端的压力下，亚原子粒子可以被挤成超

密的物质。即使在超密的天狼

B星中，亚原子粒子之间仍有空

隙，完全能够自由移动，因此，这种密度远大于铂的物质，性质仍然

像气体。英国物理学家福勒在

1925年建议，把这种物质称为简并

气体，而苏联物理学家朗道在

20世纪

30年代指出，即使像我们的

太阳一类的一般恒星，其中心也应该是由简并气体组成的。

1896年，沙伯勒在加利福尼亚洲的利克天文台首先探测到南

河三的伴星南河三

B星，发现它也是一颗超密的恒星，但质量只

有天狼

B星的

5/8。几年之后，人们发现了许多这种超密恒星。

它们体积虽小，但温度很高并发出白光，因此被称为白矮星。白矮

星大概非常多，可能占所有恒星的

3%。但因为它们体积小又暗

淡，所以只有在我们附近的白矮星才有可能在不远的将来被发现。

（还有一种比太阳小得多但比白矮星大的红矮星。红矮星是冷的，

并且只有一般密度。它们是最常见的恒星，占所有恒星的

3/4。

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因为它们很暗，所以和白矮星一样难以发现。有一对红矮星，距离

我们只有

6光年，但直到

1948年才被发现。在距离太阳

14光年

以内的

36颗恒星中，

21颗是红矮星，

3颗是白矮星，没有一颗是巨

星，而且只有天狼星和南河三两颗比我们的太阳亮。）

在发现天狼

B星具有如此惊人的性质之后第二年，爱因斯坦

提出了广义相对论，主要是以新的方式解释引力。爱因斯坦的引

力观点引导出这样一个预言：由具有非常强的引力场的光源所发

射出的光线应当向红端位移（爱因斯坦位移）。亚当斯在发现白矮

星后，被白矮星所强烈吸引，于是对天狼

B星的光谱进行了仔细

地研究。他发现确有爱因斯但所预言的红移。这个发现不仅证实

了爱因斯坦的理论，而且支持了天狼

B星具有超级密度的说法；

因为在一个普通恒星如我们的太阳中，红移效应只有天狼

B星的

1/30。尽管如此，

20世纪

60年代初期，由我们的太阳产生的这种

非常小的爱因斯坦位移还是探测到了，使广义相对论得到了进一

步证实。

但是白矮星和上面讨论的超新星有什么关系呢？为了回答这

个问题，让我们回顾一下

1054超新星。

1844年，罗斯勋爵在金牛座中东方天文学家曾报道发现

1054

超新星的地方，观测到一个小的云状天体。因为它很不规则，形状

像螃蟹，罗斯勋爵就把它命名为蟹状星云。以后几十年的连续观

测表明，这团气体正在缓慢地膨胀。根据多普勒-斐索效应可以计

算出膨胀的实际速率，把它同膨胀的视速率结合起来，就能够计算

出蟹状星云距离我们

3 500光年。从膨胀的速率还可以确定，这

团气体从中心爆发点开始膨胀的时间是在将近

900年前，这同

1054年的日期正好相符。因此，对蟹状星云（现在它扩展的空间

范围直径约为

5光年）是

1054超新星的遗迹，已不会有什么怀疑

了。

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

约

150个行星状星云，这些星云中的轮胎状气体环可能

表示曾经发生过巨大的恒星爆发。天鹅座的网状星云是一个特别

宽广而稀薄的气体云，它可能是

3万年前一颗超新星爆发留下的

遗迹。这颗超新星一定比

1054超新星距离我们更近，因而更加明

亮，可惜当时地球上还没有文化，未能记录下这一壮丽情景。

甚至还有人提出，围绕着猎户座的一块非常暗弱的星云状物

质，可能是一颗更古老的超新星留下的遗迹。

然而，在所有这些事例中，恒星爆发以后情况又怎样呢？它们

就这样变成一团巨大的气体而消失了吗？例如，蟹状星云是

1054

超新星爆发后遗留下来的全部吗？难道它就这样一直扩散下去，

直到这颗恒星所有可见的迹象永远消失为止吗？或者留下的某些

残骸仍是一颗恒星，只是太小太暗而无法探测到，也就是说，留下

的是一颗白矮星吗？打个比方来说，白矮星是曾经像我们的太阳

一样的恒星的残骸吗？这些疑问把我们引向恒星演化的问题。

恒星的演化

在我们附近的恒星中，按照非常有规律的亮度与温度的比例

来判断，明亮的似乎比较热，而暗淡的似乎比较冷。如果把各种恒

星的表面温度相对于它们的绝对星等绘制成图的话，大部分我们

所熟悉的恒星将会归入一条从暗冷缓慢地上升到亮热的窄带中，

这条带叫做主星序。它是由美国天文学家

H. N. 罗素于

1913年

首先绘出的，而后第一位确定造父变星绝对星等的天文学家赫茨

普龙也做了同样的工作。因此，表示主星序的图叫做赫茨普龙-罗

素图，简称为赫-罗图（图

2-5）。并非所有恒星都属于主星序。有

些红巨星虽然表面温度相当低，却有很高的绝对星等。这是因为

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图 2-5赫-罗图。虚线表示一颗恒星的演化过程。图中恒星的大小仅

是示意，并未按真实比例。

它们的物质以稀薄的方式扩散成很大的体积，单位面积的热度虽

然不高，但巨大的表面总合起来却相当热。在这些红巨星当中，最

有名的是参宿四和心宿二。1964年科学家们发现，有些红巨星甚

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

至冷到大气层里含有大量的水蒸气；在我们太阳的比较高的温度

下，这些水蒸气会被分解成氢和氧。至于高温的白矮星也不属于

主星序。

1924年，爱丁顿指出，任何恒星内部一定非常热。因为恒星

的巨大质量，其引力非常强大。如果这颗恒星要不坍缩，就必须有

一个相等的内部压力与这种巨大的引力相平衡，这个内部压力就

是由热能和辐射能产生的。恒星的质量越大，平衡引力所需要的

中心温度也就越高。为了维持这种高温和辐射压力，质量越大的

恒星必须越快地燃烧，从而放出更多的能量，因此一定比质量较小

的恒星更亮：这就是质光定律。这个定律指出，光度与质量的

6次

方或

7次方成正比。假若质量增加

3倍，则光度增加

3的

6次方

或

7次方，即大约

750倍。

由此可以得出这样的结论，大恒星大量耗费它们的氢燃料，因

而寿命比较短。太阳拥有足够的氢，按目前的辐射率能维持其寿

命几十亿年；像五车二那样亮的星在

2 000万年内就会燃烧完；有

些最亮的星，如参宿七，可能维持不了一二百万年。因此，非常亮

的星一定非常年轻。新的恒星说不定现在正在有足够的尘埃提供

原材料的空间形成。

1955年，美国天文学家赫比格在猎户座星云尘埃中确实探测

到两颗恒星，而在几年前拍摄的照片中，还看不到这两颗恒星的踪

迹。这两颗恒星也许真的是在我们有生之年诞生的。

到

1965年，已经找到了几百颗因为太冷而不大发光的恒星。

因为它们是由大量稀薄物质组成的，后来通过它们的红外线辐射

才探测到它们，所以把它们叫做红外巨星。据推测，这些红外巨星

是正在聚集而逐渐变热的尘埃和气体。最后，它们将变得非常热

而发光。

在研究恒星演化方面取得的另一个进展来自对球状星团中恒

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星的分析。一个星团中的恒星距离我们都差不多同样远，所以它

们的视星等和它们的绝对星等成正比（如麦哲伦云中造父变星的

情况那样）。因此，只要知道它们的星等，就可以绘制出这些恒星

的赫-罗图。结果发现，较冷的恒星（燃烧氢的速度缓慢）在主星

序中，而较热的恒星似乎有离开主星序的倾向。它们依照燃烧速率

的高低及老化的快慢，遵循着一条确定的曲线，显示出演化的各个

阶段：首先走向红巨星，然后折返回来，再次穿越主星序，最后向下

走向白矮星。

根据这一发现，再加上某些理论方面的考虑（关于亚原子粒子

在一定的高温和高压下能够互相结合的方式），霍伊耳绘制出了一

幅恒星演化过程的详细图画。根据霍伊耳的观点，演化的早期，一

颗恒星的大小或温度变化很小。（我们的太阳现在正处在这种状

态，并将维持很长的时间。）因为恒星在其炽热的内部将氢转变为

氦，所以在恒星的中心氦积累得越来越多，当这个氦核达到一定

的大小时，恒星的大小和温度开始发生剧烈地变化，体积急剧膨

胀，表面温度降低。也就是说，离开主星序朝红巨星的方向运动。

恒星质量越大，到达这个转折点就越快。在球状星团中，质量较大

的恒星已经沿着这一途径走过了不同的演化阶段。

膨胀后的巨星虽然温度较低，但因表面积比较庞大，所以释放

出比较多的热量。在遥远的未来，当太阳离开主星序时，或在那之

前，它可能会热得使地球上的生命无法忍受。不过，这将是几十亿

年以后的事了。

可是，氦核到底是如何膨胀成为红巨星的呢？霍伊耳认为，氦

核本身收缩，结果温度升高，使氦原子核聚合成碳，从而释放出更

多的能量。这种反应的确是可以发生的。这是一种非常罕见而几

乎不可能发生的反应。但是红巨星中氦原子的数量十分庞大，所

发生的这类聚合反应足以提供其所必需的能量。

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

然而，与消耗氢的漫长岁月比较起来，恒星消耗其他燃料的时

间就如同速滑雪橇一样飞驰而过。它的寿命维持不了多久，因为

氦聚变等所释放的能量只有氢聚变的

1/20而已。在一个比较短

的时间内，保持恒星膨胀状态所需要的抗拒自身引力场强大引力

的能量变得不足，从而使恒星更加快速地收缩。它不仅收缩到正

常恒星的大小，而且进一步收缩到白矮星的大小。

在收缩当中，恒星的最外层会被留在原处，或被收缩而产生的

热喷开。于是白矮星被包围在膨胀的气体层当中。当我们用望远

镜观测时，边缘的地方看上去最厚，因此气体最多。这种白矮星好

像是被“烟圈”环绕着。因为它们周围的烟圈好像是看得见的行星

轨道，所以把它们叫做行星状星云。最后，烟圈不断膨胀而变得很

薄，再也看不到了，我们看到的像天狼

B星一类的白矮星周围就

没有任何星云状物质的迹象。

白矮星就是这样比较平静地形成的；而这种比较平静的“死

云”正是像我们的太阳一类的恒星和比较小的恒星未来的命运。

而且，如果没有意外干扰的话，白矮星会无限地延长寿命，在此期

间，它们会慢慢冷却，直到最后再也没有足够的热度发光为止（未

来几十亿年），然后变为黑矮星，还要继续无数亿年。

另一方面，如果白矮星像天狼

B星或南河三

B星那样是双星

系统中的一颗，而另一颗是主星序的星，而且非常接近白矮星，那

么将会有一些令人兴奋的时刻。主星序星在自己的演化过程中膨

胀时，它的一些物质在白矮星强大引力场的吸引下，可能会向外漂

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移而进入白矮星的轨道。在偶尔的情况下，有些轨道物质会旋落

在白矮星的表面，在那里受到引力压缩而引起聚变，从而放射出爆

发性的能量，如果有一块特别大的物质落到白矮星的表面，则放

射出的能量可能大到从地球上都可以看到，于是天文学家便记录

下有一颗新星出现。当然，这种事会一再发生，而再发新星确实是

存在的。

但这些还不是超新星。超新星是从哪里来的呢？为了回答这

个问题，我们必须从比我们的太阳大得多的恒星谈起。这些巨大

的恒星相当稀少（在各类天体中，大质量恒星的数目比小恒星少），

30颗恒星中大概只有

1颗比太阳质量大。即使如此我们的银河

系里大约也有

70亿颗大质量恒星。

大质量恒星引力场的引力比小恒星的大，在这种较强引力的

作用下，其核也挤压得比较紧，因此核更热，聚变反应超越较小恒

星的氧-氖阶段后仍能继续进行。氖进一步结合形成镁，镁又能结

合形成硅，然后硅再结合形成铁。在其寿命的最后阶段，这种恒星

可能会由

6个以上的同心壳层组成，各自消耗不同的燃料。这时

中心温度可达摄氏

30亿～40亿度。恒星一旦开始形成铁，它就

到达了死亡的终点，因为铁原子的稳定性最高而所含的能量最少。

无论是把铁原子转变成更复杂的原子还是转变成更简单的原子，

都必须输入能量。

而且，当核心温度随年龄增加时，辐射压力也随着增加，并且

与温度的

4次方成正比，即当温度升高到

2倍时，辐射压力会增加

到

16倍，因此辐射压力和引力之间的平衡变得更加脆弱。根据霍

伊耳的说法，最后，中心温度上升得非常高，从而使铁原子转变成

氦。但是要发生这种情况，正如我刚刚说过的，必须给铁原子输入

能量。当恒星收缩时，可以利用它所得到的能量把铁转变成氦。

然而，所需的能量是如此巨大，根据霍伊耳的假定，恒星必须在一

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

当这种恒星开始崩溃时，它的铁核仍被大量尚未达到最大稳

定性的原子包围着。随着外层的崩溃，原子的温度升高，这些仍然

可以结合的物质一下子全部“点火”，结果引起一场大爆发，将恒星

外层物质从恒星体内喷出去。这种爆发就是超新星。蟹状星云就

是由这种爆发形成的。

超新星爆发的结果，将物质喷发到空间，这对于宇宙的演化具

有巨大的重要性。在宇宙大爆炸时，只形成了氢与氦。在恒星的

核内则陆续形成其他更复杂的原子，一直到铁原子。如果没有超

新星爆发，这些复杂原子会锁在恒星的核内，一直到白矮星。通常

只有极少量的复杂原子通过行星状星云的晕进入宇宙中。

在超新星爆发的过程中，恒星较内层的物质会被有力地喷射

到外围空间，爆发的巨大能量甚至能够形成比铁原子更复杂的原

子。

喷射到空间的物质会加入已经存在的尘埃气体云，并且成为

形成富含铁及其他金属元素的第二代新恒星的原材料。我们的太

阳可能是一颗第二代恒星，比一些无尘埃球状星团的老恒星年轻

得多。那些第一代恒星则金属含量很低而氢含量很高。地球是从

诞生太阳的同一残骸中形成的，所以含铁非常丰富，这些铁也许一

度存在于几十亿年前爆发的一颗恒星的中心。

可是在超新星爆发中已经爆发的恒星，其收缩部分的情况又

是如何呢？它们形成白矮星吗？体积和质量更大的恒星只是形成

体积和质量更大的白矮星吗？

1939年，在美国威斯康星州威廉斯湾附近的叶凯士天文台工

作的印度天文学家张德拉塞卡计算出，大于太阳质量

1.4倍以上

的恒星，不可能通过霍伊耳所描述的正常过程变成白矮星，从而第

一次指出，我们不能期望有越来越大的白矮星。这个数值现在叫

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做张德拉塞卡极限。事实上，结果证明到目前为止所有观测到的

白矮星质量都低于强德拉塞卡极限。强德拉塞卡极限存在的理由

是，由于白矮星的原子中所含的电子相互排斥，因而使白矮星不能

再继续收缩下去（亚原子粒子我将在后面第七章中讨论）。随着质

量的增加，引力强度也增加；达到

1.4倍太阳质量时，电子排斥力

变得不足以克服白矮星的收缩力，白矮星将坍缩成更小更致密的

星体，而使亚原子粒子实际上相互接触。这种星体必须等待利用

可见光以外的辐射来探测宇宙的新方法发明之后，才能探测出来。

观察宇宙的窗口

人类获取知识的最有力的武器，是他们的理解能力和推动这

种理解能力不断发展的强烈的好奇心。有才智的人不断地发明出

新的仪器，打开了我们的肉体感官所无法达到的境界。

望远镜

最著名的例子就是，1609年望远镜发明以后，新的知识大量

涌现。从实质上来说，望远镜只是一只特别大的眼睛。设在美国

加利福尼亚州帕洛马山上的望远镜，口径有

5.08米（200英寸），

聚光面积为

20多平方米（

31 000平方英寸），与人眼的

6毫米左右

（1/4英寸）的瞳孔形成了鲜明的对照。这架望远镜的聚光能力可

以把我们肉眼所能看到的星光亮度增强大约

100万倍。它于

1948年首次启用，是当今美国使用的最大的一架；但在

1976年，

苏联开始使用安置在高加索山上的一架口径为

6米（236.2英寸）

的望远镜进行观测。

苏联的这架望远镜可说是这种望远镜的极限了，但实际上工

作并不理想。然而除了单纯地增加望远镜的口径外，还有其他改

第二章 宇 宙

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进的方法。在

20世纪

50年代，图雷发明了一种电子显像管，可以

把望远镜收集到的弱光加以放大。将几个较小的望远镜统一使

用，跟单独使用一个比其中任何成员都大的望远镜，所得到的影像

是一样的。因此，美国和前苏联都在计划建造远远超过

5米与

6

米口径的望远镜集合体。此外，如果将一架大望远镜安放在环绕

地球的轨道上，便能够在没有大气干扰的情况下观测天空，因此它

会比安放在地球上的任何望远镜都看得清晰，这个计划也在进行

中。①

望远镜对于人类的贡献不仅仅是放大与增强光线而已。

1666

年，牛顿发现光可分解成各种彩色的光谱后，使望远镜朝着不单是

一个光线收集器的方向迈出了第一步。牛顿让太阳光束经过一个

棱镜后，发现太阳光束展宽成一条由红、橙、黄、绿、蓝、紫等色组成

的带，而且每一种颜色都逐渐过渡到下一种颜色（图

2-6）。（当

然，人们对这种现象是很熟悉的，因为它经常以彩虹的形式出现。

彩虹是太阳透过水滴时水滴产生棱镜效应而形成的。）

牛顿所证明的是太阳光，或者说白光，是多种特定的辐射（现

在被认为是不同波长的波）的混合物。这些辐射在我们的眼睛看

来就是众多不同的颜色。棱镜之所以能够把颜色分开，是因为当

光由空气进入玻璃或由玻璃进入空气时，会产生弯曲；也就是折

射；各种波长折射的程度不同，波长越短折射就越大。因此，波长

短的紫光折射最大，而波长长的红光折射最小。

此外，这个现象还解释了早期望远镜的一个重大缺陷，即被观

测物体的四周有模糊的色环。这是光线经过透镜时由色散形成的

① 1990年

4月

25日，美国发现号航天飞机成功地将哈勃太空望远镜

送入距地球

600多公里（

380英里）的轨道上。这架望远镜长

13.1米，宽

4.27米，重量

11吨，使用寿命为

15年。——译注

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图 2-6牛顿分解白光光谱的实验

光谱。

只要使用透镜，就排除不了这种缺陷，牛顿对此深感失望。因

此，他设计并制造了反射望远镜，用抛物面代替透镜来放大影

像。由于所有不同波长的光都会产生相同的反射，因此在反射时

不会形成光谱，也就没有色环（色差）出现了。

到了 1757年，英国光学家多朗德利用两种不同的玻璃组合成

透镜，一种玻璃可以抵消另一种玻璃形成光谱的倾向。这样就可

以制成消色差（无色）透镜了。使用了这种透镜后，折射望远镜再

度受到欢迎。 1897年叶凯士天文台建造了一架透镜直径为 1.02

米（40英寸）的最大折射望远镜。此后没有再造出更大的折射望

远镜来，将来也不可能造出来，因为更大的透镜吸收的光线太多，

会将其优良的放大率抵消。因此，今天的巨型望远镜都属于反射

望远镜，因为反射镜面很少吸收光线。

分光镜

1814，德国的光学家夫琅和费比牛顿更进了一步。他让光束

通过一个狭缝，然后再用棱镜折射。这样得到的光谱实际上就是

由各种波长组成的光的一系列狭缝的像。狭缝的像非常多，它们

第二章 宇 宙

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夫琅和费将他发现的暗线位置全部标出来，共有

700多条。

从此这些暗线被称做夫琅和费谱线。1842年，法国物理学家

A. E.贝克勒耳首次拍摄到太阳的光谱线。这种照相术极大地促

进了对光谱的研究，而且随着现代精密仪器的使用，在太阳的光谱

中已经发现了

3万多条暗线，并测定了它们的波长。

19世纪

50年代，一些科学家曾经设想，这些线代表了太阳上

的各种元素。暗线表示在有关波长时光线被某种元素所吸收；明

线则表示元素的特征辐射。大约在

1859年，德国的化学家本生与

克希霍夫研究出了用这种方式来识别各种元素的一套方法。他们

把各种物质加热，使之发出白炽光，再将它们发出的光展宽成光

谱，根据背景上的标度测定出谱线的位置（在这种情况下，是在黑

暗背景上出现的明亮的发射线），然后把每一条谱线都同某种元素

匹配起来。他们的分光镜很快就被用来发现新的元素，方法是辨

认与已知元素不一致的新谱线，在不到两年的时间里，本生与克

希霍夫便利用这种方法发现了铯和铷。

此外，分光镜还被用来研究太阳光和星光，很快在化学及其他

方面就获得大量的新资料。1862年，瑞典天文学家埃斯特朗在太

阳的光谱中发现了氢元素的谱线特征，从而证实太阳含有氢。

虽然在恒星上也能探测到氢，但是，总的说来，由于恒星的化

学成分不同（其他性质也是如此），它们的光谱也各不相同。事实

上，恒星可以按照它们的谱线图的一般性质来分类。

1867年，意

大利天文学家塞奇，在

4 000颗恒星光谱的基础上，第一次将恒星

分类。到

19世纪

90年代，美国的天文学家

E. C. 皮克林对几万张

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恒星光谱进行了研究，在

A. J.坎农和

A. C.莫里的大力支持下，使

光谱分类更加细致。

最初，光谱分类是用大写字母按照英文字母的顺序排列的，但

是后来知道的恒星越来越多，因而有必要改变这种次序，对光谱型

进行逻辑排列。如果字母以恒星温度递减的次序来排列，则为

O，

B，A，F，G，K，M，R，N和

S十类；而每一类又可以再细分为

1～10

十个次型，例如，太阳是一个中等温度的恒星，光谱型为

G-0，半

人马座

α星是

G-2型，温度比较高的南河三是

F-5型，而温度相

当高的天狼星则是

A-0型。

正如分光镜在地球上能够找到新元素一样，分光镜在天空中

也能找到新元素。1868年，法国天文学家让桑在印度观测日全食

时，发现了一条和过去任何已知元素的光谱都不符合的光谱线。

后来英国天文学家洛基尔证实，那条光谱代表的是一种新元素，并

将这种新元素命名为氦（源自希腊文“太阳”）。大约

30年以后，人

们才在地球上发现了氦元素。

正如我们在本章前面看到的那样，分光镜后来成为测量恒星

视向速度的工具，并用来探测恒星的磁场特性、恒星的温度、恒星

是单个星还是双星等等。

此外，谱线是有关原子结构知识的一部名副其实的百科全书，

不过，直到

19世纪

90年代首次发现原子中的亚原子粒子后，谱线

才得到充分地利用。例如，

1885年，德国物理学家巴耳未证明，氢

原子所产生的整组谱线按照一个相当简单的公式有规则地间隔

着。30年以后，用这个理论推导出了氢原子的一个重要结构图。

洛基尔本人证明，一种给定的元素所产生的谱线在高温下会

发生变化。这表明原子内部有某种改变。同样，直到后来发现原

子中含有更小的粒子后，洛基尔的理论才受到重视。在高温下有

些粒子被驱逐出来，因而使原子的结构和原子产生的谱线的性质

第二章 宇 宙

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发生改变（这种改变了的谱线有时会被误认为是新元素的象征）。

但是，很遗憾，氦至今仍然是天上发现的惟一新元素。

照相术

1830年，法国艺术家达盖尔制造了第一块达盖尔银版，从而

引入了照相术。照相术同样很快就成为天文学上非常宝贵的工

具。在

19世纪

40年代，许多美国天文学家纷纷拍摄月球的照片，

其中

G. P.邦德拍摄的一张月球的照片，1851年在伦敦举办的傅

览会上引起轰动。他们还对太阳进行了拍摄。

1860年，塞奇首次

拍摄了日全食的照片。到

1870年，日全食的照片已经证明，日冕

与日珥是太阳的一部分，而不是月球的一部分。

在此期间，在

19世纪

50年代开始时，天文学家对远恒星也

进行了拍摄。到

1887年，苏格兰天文学家吉尔每天都对恒星拍照。

从此，在观测宇宙方面，照相术很快就变得比用我们的肉眼更为重

要。

利用望远镜照相的技术不断得到改进。但是，一个主要的障

碍是，大望远镜所能看到的视场非常小。如果试图扩大视场的话，

边缘上就会发生畸变。1930年，俄国血统的德国光学家

B.施密

特设计了一种使用改正透镜的方法，可以避免发生畸变。人们使

用这种透镜一次可以拍摄到非常宽阔的一片天空，从中找出感兴

趣的天体，然后再用普通望远镜进行仔细研究。因为这种望远镜

几乎总是被用在天体照相工作上，所以被称为施密特照相机。

目前使用的最大的施密特照相机，口径为

135厘米（

53英

寸），1960年在民主德国的图腾堡首次投入使用。另一架口径

122

厘米（

48英寸）的施密特照相机与帕洛马山上的

5.08米（200英

寸）口径的海耳望远镜配合使用。第三架最大的施密特照相机口

径为

0.99米（

39英寸），1961年在苏联亚美尼亚天文台投入使用。

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1800年前后，

W.赫歇耳（第一次猜测我们银河系的形状的那

位天文学家）做了一个非常简单而有趣的实验。他首先让一束太

阳光通过棱镜，然后将一支温度计放在光谱红端的旁边。温度计

中的水银竟上升了！很明显，在波长比可见光谱还要长的地方还

有某种不可见的辐射存在。

W.赫歇耳所发现的这种辐射就是有

名的红外辐射，即在红端以外的辐射。此外，现在我们知道，太阳

的辐射中足有

60%属于红外辐射。

1801年，德国物理学家里特对光谱的另一端进行了探索。他

发现，硝酸银曝光于蓝光或紫光时，会分解出金属银而变黑，如果

把硝酸银放在光谱紫端以外的地方，会分解得更快。这样，里特发

现了现在被称做紫外辐射的“光”（在“紫端”以外）。W.赫歇耳和

里特展宽了久已存在的光谱，使之进入了辐射的新领域。

这些新的领域可以给人们提供大量的资料。太阳光谱中我们

肉眼看不到的紫外辐射部分，在照片上却显示得非常详细。事实

上，使用石英棱镜可以记录下非常复杂的紫外光谱（石英能够透过

紫外辐射，而普通玻璃会把大部分紫外辐射吸收掉）。这是

1852

年由英国物理学家斯托克斯首先证实的。遗憾的是，大气层只让

近紫外辐射（即同紫光波长差不多的辐射）通过。远紫外辐射由于

波长特别短，在高层大气中被吸收掉了。

射电天文学

1860年，苏格兰物理学家麦克斯韦提出一个理论，预言整个

辐射家族都与电磁现象（即电磁辐射）有联系，而一般可见光只是

这个家族中的一小部分而已。25年以后，即在麦克斯韦因患癌症

过早去世

7年后，才找到了证实他的预言的第一个确实的证据。

1887年，德国物理学家

H. R. 赫兹从感应线圈的火花中制造振荡

电流，结果产生出波长极长的辐射，比一般红外辐射的波长长得

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从

0.39微米（极紫）到

0.78微米（极红）。接下去是近红外辐射

（0.78～3微米），再就是中红外辐射（3～30微米），然后是远红

外辐射（30～1 000微米）。从此开始便是射电波：所谓的微波从

1000～160 000微米，长波射电波长高达几十亿微米。

辐射的特性不仅可以用波长来表示，也可以用频率来表示。

频率就是每秒钟产生的辐射的波数。可见光和红外辐射频率的数

值太大，因此在这两种情况下通常不使用频率来表示。但是，对射

电波来说，频率降低到比较低的数字，因而得到广泛地应用。每秒

钟

1 000个波叫做

1千周；每秒钟

1 000 000个波叫做

1兆周。微

波的范围从

300 000兆周到

1 000兆周。一般电台使用的射电波

波长都很长，都低到千周的范围。

在赫兹发现射电波后的

10年期间，光谱的另一端也有了同样

的扩展。1895年，德国物理学家伦琴意外地发现了一种神秘的辐

射，他称之为

X射线，结果证明，

X射线的波长比紫外辐射的波

长短。后来卢瑟福证明，与放射性有关的

γ射线的波长比Ｘ射线

的还要短。

目前光谱中的短波部分大致划分如下：波长从

0.39～0.17微

米属于近紫外辐射，从

0.17～0.01微米属于远紫外辐射，从

0.01～0.000 01微米属于Ｘ射线，γ射线的范围则是从这个数值一

直到小于十亿分之一微米。

于是，牛顿最初的光谱得到极大的扩展。如果我们把波长每

增加一倍看作是相当于

1个

8度音程的话（如同声音那样），那么

我们所研究的全部电磁波谱大约等于

60个

8度音程。可见光在

靠近光谱的中心部分，仅占

1个

8度音程的范围。

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有了比较宽的光谱，我们对恒星的认识当然会更加全面。例

如，我们知道，太阳光中包含着大量紫外辐射和红外辐射。这些辐

射大部分被我们的大气吸收了；但是

1931年非常意外地发现了一

个探索宇宙的射电窗口。贝尔电话实验室的一位年轻的无线电工

程师央斯基，在研究经常伴随着无线电接收而产生的静电时，偶然

发现了一种非常稳定的噪声，这种噪声不可能来自任何通常的噪

声源。他最后断定，这种静电是由来自外层空间的射电波引起的。

最初，来自空间的射电信号似乎在太阳方向上最强，但一天天

过去后，接收到的最强信号慢慢地从太阳方向移开，并且在天空中

环行一圈。到

1933年，央斯基断定，这些射电波来自银河，特别是

来自靠近银河系中心的人马座方向。

于是射电天文学诞生了。但因为它还有严重的缺点，所以并

没有立即受到天文学家的欢迎。射电天文学得到的并不是整齐的

图形，而只是在图上画出一些扭动的曲线，很不容易解释其中的含

义。更重要的是，射电波的波太长，以至于无法分辨出像恒星那样

小的射电源。来自空间的射电信号，波长大约是光波波长的几十

万倍甚至几百万倍；因此，任何普通的无线电接收机最多只能测出

这些射电波发射的大致方向。射电望远镜必须有一个比光学望远

镜的镜面大

100万倍的抛物面天线，才能产生像光学望远镜那样

清晰的天空图像。一架

5.08米（200英寸）口径的望远镜需要匹

配的抛物面天线的直径为

5 040公里，大约是美国面积的两倍，这

显然是不可能办到的。

这些困难影响了人们对这项新发现的重要性的认识。但是一

位名叫雷伯的年轻的无线电业余爱好者，出于个人的好奇心，继续

对射电波进行研究。1937年，雷伯花费了许多时间和金钱，在后

院中建造了一架小型射电望远镜，并配有一具直径约为

9米（30

英尺）的抛物面天线，接收和集中射电波。1938年初，除了人马座

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

在第二次世界大战期间，英国的科学家在研制雷达的过程中

发现，太阳发射的微波范围内的信号对雷达有干扰。这一发现激

起了他们对射电天文学的兴趣。第二次世界大战结束后，英国继

续对太阳射电频率的研究工作。1950年，他们发现，太阳的射电

信号大多与太阳黑子有关，（央斯基是在太阳黑子活动极小期进

行实验的，所以他探测到银河系的辐射，却没有探测到太阳的辐

射）。

此外，由于雷达技术和射电天文学使用的波长相同，所以到第

二次世界大战结束时，天文学家便有了适合于处理微波的大型阵

列设备。这些设备很快就得到改进，人们对射电天文学的兴趣也

大为提高。

为了更清晰地接收和给射电源准确定位，英国首先建造了大

型天线。在英国的焦德雷尔班克，洛维耳监造了直径约为

76米

（250英尺）的抛物面天线，从而有了第一架真正的大型射电望远

镜。

后来终于发现了清晰接收的方法，要获得高分辨力，并不需

要建造一架大得无法制作的射电望远镜，而只要在一个地方建造

一架大射电望远镜，在远距离的地方再建造一架就行了。如果用

超精确的原子钟校正两个抛物面天线的时间，并通过精密电脑的

处理使它们一致运行的话，则两个抛物面天线所产生的效果与一

个直径等于两者直径之和（即两者分离的距离）的大型抛物面天线

相同。抛物面天线的这种组合叫做长基线射电望远镜或甚长基线

射电望远镜。澳大利亚天文学家在他们那宽广而比较空旷的土地

上安装了这种射电望远镜。现在，美国加利福尼亚州与澳大利亚

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是

10 600公里（

6 000英

里）。

因此，射电望远镜产生的图像同敏锐的光学望远镜一样清晰。

实际上，射电望远镜比光学望远镜分辨得更仔细。诚然，这种甚长

基线射电望远镜在地面上可以无限地延长，但是天文学家正在梦

想，使射电望远镜在空间相互配合，并同地球上的抛物面天线配

合，以形成更长的基线。

然而，早在射电望远镜发展到目前的水平之前，就有了许多重

大发现。1947年，澳大利亚天文学家博尔顿测定了天空中第三个

最强的射电源的方位，证实就是蟹状星云。在天空各处被探测到

的射电源中，这是第一个被确定的实际可见的天体。这样强的辐

射似乎不可能是由一颗恒星产生的，因为其他恒星并不产生这种

辐射。这个射电源似乎比较可能是蟹状星云中膨胀着的气体云。

这项发现更加证明，宇宙射电信号主要是由湍动气体产生的。

太阳外层大气中的湍动气体发出射电波，所以所谓的射电太阳比

可见太阳要大得多。后来发现，具有湍动大气的木星、土星和金星

也是射电源。

射电天文学的开创者央斯基，在世时基本上没有得到人们的

赏识，而在

1950年，正当射电天文学开始大踏步前进的时候，他去

世了，享年

44岁。后来人们为了纪念他，便用央斯基作为测量射

电发射的强度单位。

眺望我们的银河系之外

射电天文学的触角远及空间深处。在我们银河系中，有一个

强射电源是太阳系以外最强的一个射电源，叫做仙后，因为它位于

仙后座内。巴德和闵可夫斯基用帕洛马山上的

5.08米口径的望远

镜，进一步观测了这个英国射电望远镜已经准确定位的射电源，

第二章 宇 宙

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发现是一缕缕湍动气体。这些气体很可能是

1572年第谷在仙后

座看到的那颗超新星的遗迹。

1951年发现了一个更远的射电源。它是第二个最强的射电

源，位于天鹅座内。雷伯

1944年首先报告了这个射电源。但直到

后来利用射电望远镜找出它的位置，才开始发现这个射电源位于

我们的银河系之外，这是在银河系以外精确定位的第一个射电源。

1951年，巴德在用

5米口径的望远镜观测指出的那部分天区时，

在视场中心发现了一个奇特星系。它有两个中心，而且好像是被

扭曲了似的。巴德当即怀疑，这个奇特的、被扭曲的、双中心的星

系不是一个星系，而是两个星系，就像一付合击在一起的铙钹。巴

德认为，它们是两个正在碰撞的星系，他同其他天文学家讨论了这

种可能性。这个证据似乎支持他的观点，所以在一段时间内，人们

接受了两个星系相撞的说法。大多数星系存在于相当密集的星系

团中，像成群的蜜蜂那样运动，这种碰撞似乎是很难避免的。

天鹅座里的射电源虽然调整到

2.6亿光年以外，但是它所发

出的射电信号却比我们的恒星近邻蟹状星云强。这第一次表明，

射电望远镜比光学望远镜能够洞察更远的星空。即使口径为

76

米（250英尺）的焦德雷尔班克射电望远镜（按照目前标准是很小

的射电望远镜），也远胜过

5米（200英寸）口径的光学望远镜。

然而，当在远星系中发现的射电源数目不断增加并超过

100

个时，天文学家们又不安起来。无疑，它们根本不可能都是由碰撞

的星系形成的。

事实上，天空中星系相撞的整个观念已经动摇了。苏联天体

物理学家阿姆巴楚米扬

1955年提出了理论上的理由，认为射电星

系是正在爆发的星系，而不是正在相撞的星系。

1963年发现大熊座里的

M-82星系（大约

1 000万光年远的

一个强射电源）就是这样一个爆发星系。这个发现极大地增强了

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上述推测的可能性。

用

5米（200英寸）口径的海耳望远镜并利用一种特定波长的

光对

M-82星系进行观测，发现从星系的中心喷射出长达

1 000

光年的巨大物质喷流。从向外爆发的物质数量、爆发物质已经运

行的距离及其运行的速率来看，发生爆发的时间大概是在

150万

年前。

现在看来，星系的核普遍活动着，那里经常发生湍动和非常剧

烈的事件，因此，总的来说，宇宙是一个激烈运动的场所，在射电天

文学出现之前这是人们所梦想不到的。我们肉眼所看到的天空之

所以显得格外平静，是因为我们只是在有限的时间里看到有限的

景物的缘故（看到的仅仅是和我们非常邻近的恒星）。

即使在我们银河系的正中心，也有一个微小的区域，最大宽度

只有几光年，但却是一个非常活跃的射电源。

另外，顺便说一下，虽然爆发星系存在，活跃的星系核很常见，

而且可能很普遍，这些都是事实，但没有必要认为星系碰撞的观

念不值得考虑。在任何星系团中，大星系似乎可能是吞并小星系而

成长起来的；而且常常是有一个星系比这个星系团中的任何一个

其他星系都大得多。许多迹象表明，它是通过碰撞和吸收小星系

而达到这样大的规模的，有一张大星系的照片，显示出几个不同

的核的迹象，但除了一个以外，其他都不是它自己的，而曾经是单

独星系的一部分。于是，吞并星系这个词开始使用起来了。

新天体

到了

20世纪

60年代，天文学家们可能会轻易地认为，天空中

的物理天体已经不会再有多少令人惊奇的事情了。新的理论和新

的见解是会有的，但是在运用不断改进的仪器观测了

3个世纪之

第二章 宇 宙

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对于持有这种观点的天文学家来说，当对某些看上去不平常

但并不惊人的射电源研究的结果第一次出现时，他们一定会感到

万分惊讶。

类星体

天文学家首次研究的深空里的射电源，其存在似乎与含有湍

动气体的延伸的天体有关：蟹状星云、远星系等等。然而，有些射

电源看上去异乎寻常的小。由于射电望远镜越来越精密，对射电

源的观测也越来越清晰，人们开始发现，射电波可能是由单个恒星

发射出来的。

在这些射电致密源中，有几个已经知道是

3C48、3C147、

3C196、3C273与

3C286。“3C”是“剑桥第三射电星表”的缩写。这

个表是由英国天文学家

M. 赖尔和他的同事编制的，后面的号码

表示这个射电源在表中的位置。

1960年，美国天文学家桑德奇用

5米（200英寸）口径的望远

镜对含有这些射电致密源的区域进行了仔细地搜寻；每个区域果

然都有一颗恒星好像就是射电源。被探测到的第一颗恒星是与

3C48联系在一起的恒星。在

3C273天区中，最明亮的一个天体的

精确位置是哈泽德在澳大利亚测到的，当月球从这个天体前经过

时，他记录下了射电中断的时间。

这些有关的恒星在以前对天空进行的照相扫描中早已被记录

了下来，过去它们一直被认为只不过是我们银河系的暗弱成员。

但是，在它们不寻常的射电辐射的刺激下，对它们又进行了过细地

拍照，现在证明完全不是那么回事。暗弱的星云状物质被证明与

某些天体有联系，而

3C273显示出从它里面喷射出一小股物质喷

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流的迹象。事实上，有两个射电源与

3C273有关：一个来自这颗

恒星，一个来自这股喷流。另外有趣的一点是，在仔细地研究以

后，发现这些恒星含有非常丰富的紫外光。

事情似乎是这样，射电致密源尽管看起来像是恒星，但它们终

归不是普通的恒星。它们最后被称为类星射电源（类星意思是“与

恒星相似”）。由于这个词对天文学家来说越来越重要，但念起来

很不顺口，于是，1964年，中国血统的美国物理学家丘宏义

①

把这个词缩略成类星体，就这样，一个拗口的字眼永久地进入了天

文学词汇。

很明显，类星体非常有趣，有必要使用包括分光镜在内的全部

天文技术来进行研究。天文学家桑德奇、格林斯坦和

M. 施密特等

人，经过艰苦的努力终于得到类星体的光谱。当他们在

1960年完

成这项任务时，发现有许多陌生的谱线他们无法辨认。而且，有一

个类星体产生的谱线与任何其他类星体的谱线都不相同。

1963年，M.施密特再次研究

3C273的光谱，这颗最明亮的类

星体显示出最清晰的光谱。在光谱的

6条谱线中有

4条排列方式

看起来与氢谱线的线系十分类似，不过氢谱线的线系不应该存在

于这些谱线被发现的地方。但是，难道这些谱线不可能本来在别

的地方，因为它们向光谱的红端位移，才出现在它们被发现的地方

吗？如果真是这样，它们的位移会是很大的。曾有人指出，它们以

大约每秒

40 000公里的速度退行。这个数值似乎让人无法相信，

而且，如果这种位移现象存在的话，另外两条谱线也应该能证认出

来：一条表示失去两个电子的氧；另一条表示失去两个电子的镁。

施密特与格林斯坦转而研究其他类星体的光谱，他们发现，只

要假定有巨大的红移，它们的谱线也能证认出来。

这样巨大的红移固然可以由一般的宇宙膨胀产出；但是，如果

按照哈勃定律把红移换算成距离，结果证明，类星体根本不可能是

① Chiu, Hong Yee 1932~，原书为“邱洪宜（音译）

”。——ken777注

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

我们银河系里的普通恒星；它们应该在已知的最遥远的天体之列，

距离地球几十亿光年。

到

20世纪

60年代末期，一次集中地搜寻发现了

150个类星

体。对其中

110多个的光谱进行了研究。这些类星体中的每一单

个类星体都显示出大的红移，确实比

3C273类星体的红移大。它

们中有两个类星体的距离估计大约有

90亿光年。

如果类星体真像红移显示的那样远的话，那么，天文学家就会

面临一些迷惑而难解的问题。举例来说，这些类星体必定非常地

明亮，才能在如此遥远的地方仍然显得那么亮；它们一定是整个普

通星系光度的

30～100倍。

然而，如果真是这样，如果类星体具有一个星系的形式和外表

的话，那么，一个类星体含有恒星数目应该是一个普通星系的

100

倍，而且其大小也应该是一个普通星系的

5倍或

6倍。即使在它

们那样遥远的距离，在大型望远镜里也应该呈现出清晰的卵形光

斑。然而它们并不形成光斑，即使在最大的望远镜里依然是星状

的点。因此，尽管它们特别明亮，在体积上可能比普通星系小得

多。

另一种现象也着重说明类星体的体积是小的；因为早在

1963

年，人们就发现，类星体发射出的能量，不论在可见光区域还是射

电波区域，都会发生变化。几年期间的记录表明，其增减幅度多达

三个星等。

在如此短的时间内，辐射有这样明显的变化，它一定是一个小

天体。小的变化可能是由天体的某些局部区域增亮或变暗造成

的；但是大的变化，则一定与整个天体有关。如果整个天体与变化

有关的话，那么，在发生变化的时间内，某种效应一定会横跨天体

的全部宽度。但是任何效应都不能快过光速；因此，如果一个类星

体在几年的时间内就发生明显的变化，它的直径不可能大于

1光

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年。实际上，一些计算结果表明，类星体的直径可能小得只有

1光

周（即光在一星期内走过的路程，等于

8 000亿公里）。

体积如此小而亮度又如此大的天体，它们耗费能量的速率必

定非常大，因而储存的能量不会持续长久（除非有某种现在想象不

到的能源，而这并不是不可能的）。一些计算表明，一个类星体以

如此巨大的速率放出能量，只能维持

100万年左右。这样看来，我

们所看到的类星体是在不久之前（从宇宙的角度来说）才形成的；

而且必定有些天体过去是类星体，如今已不再是类星体了。

1965年，桑德奇宣称，他发现的天体可能的确是一些年老的

类星体。它们看起来像是普通的蓝星，却同类星体一样有大的红

移。它们同类星体一样又远又亮又小，却没有射电辐射。桑德奇

称它们为蓝星体，简称为

BSO。

蓝星体的数量似乎比类星体多得多，1967年曾估计，我们的

望远镜所能看到的蓝星体总数为

10万个。蓝星体比类星体多得

多，因为天体以蓝星体的形式存在的时间比以类星体的形式长久

得多。

在天文学家中，认为类星体是非常遥远的天体的观点并不普

遍。有人认为，类星体的巨大红移可能不是宇宙学红移，就是说，

它们不是宇宙通常膨胀的结果，它们大概是比较靠近那些由于某

种局部原因（例如，被以巨大的速度从星系核内喷射出来）正在急

速远离我们而去的天体。

这种观点的最热心的支持者是美国天文学家阿普，他提出，有

些类星体似乎与天空附近的星系有物理上的联系。如果真有联

系，它们的距离应该是一样的。因为星系的红移比较小，所以类星

体的比较大的红移不可能是宇宙学红移。

另一个令人困惑的问题是

20世纪

70年代末期的一项发现。

类星体内部的射电源（用现今的长基线射电望远镜能够分别探测

第二章 宇 宙

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到它们）似乎在以几倍于光速的速度分离开去。按照目前的物理

理论，超过光速的速度被认为是不可能的，但是只要设想类星体果

真像想象的那么遥远，这种超光速就有可能存在。如果它们实际

上距离比较近，则它们分离的速度就会比光速小。

然而，类星体距离比较近的观点（也就是说它们没有那么亮，

也不产生那么多的能量，从前可能解除这种困惑）并没有得到多数

天文学家的赞同。一般的观点是，支持宇宙学距离的证据占绝对

优势；阿普的有关物理联系方面的证据并不充分；而视超光速是光

学幻觉下的结果（而且人们已经提出了一些似乎有理的解释）。

但是，如果类星体真的像它们的红移所显示的那样远，而且真

的是如此小，然而却如此明亮，又具有如此大的能量的话，它们到

底是些什么东西呢？

最可能的答案要追溯到

1943年，当时美国天文学家赛弗特观

测到一个奇特的星系，具有一个非常亮而又非常小的核、后来又

陆续观测到了几个同类型的星系，现在我们把这些星系统称为赛

弗特星系。虽然到

20世纪

60年代末，只发现了

12个这种星系，

但是推测可能有

1%的星系是赛弗特星系是有道理的。

赛弗特星系会不会是介于普通星系与类星体之间的天体呢？

它们的明亮的中心所呈现的亮度变化，使它们的中心几乎显得像

类星体一样小。如果它们中心的亮度进一步增强而星系的其余部

分进一步暗弱的话；它们将变得与类星体无法区别；而且，有一个

3C120的赛弗特星系看起来几乎就是一个类星体。

赛弗特星系只有中等的红移，而且并不十分遥远。类星体会

不会是非常遥远的赛弗特星系？这些星系远得使我们只能看到它

们的亮而小的中心，而且远得使我们只能看到最大的星系，而正是

这些最大的星系给我们以类星体特别明亮的印象。反过来，我们

是否可以正确地推测，类星体尽管非常遥远，但仍是我们能够看到

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的非常大的赛弗特星系？

确实，最近拍摄的照片显示出类星体周围有雾状物的迹象，似

乎表明是一个暗弱星系包围着小而活跃并且非常明亮的中心。因

此我们可以假设，距离我们

10亿光年以外的宇宙的远方，就像我

们比较邻近的区域一样充满着星系。然而，这些星系大都暗弱得

用光学的方法分辨不出来，因此，我们只看到它们之中最大和最活

跃的星系的明亮中心。

中子星

如果射电辐射曾引发出上述奇特而令人困惑的天体——类

星体，那么，对光谱另一端的研究则引出了另一种同样奇特的天

体。

1958年，美国天体物理学家弗里德曼发现，太阳发射出大量

的Ｘ射线。这些射线在地球表面探测不到，因为大气层会把它们

吸收掉；但是火箭可以发射到大气层以上，并且可携带适当的仪

器，因而可以轻易地探测到这种辐射。

有一段时期，太阳的Ｘ射线源是一个令人因惑的问题。太阳

表面的温度只有

6 000℃，虽然足以蒸发任何形式的物质，却不足

以产生Ｘ射线。这个Ｘ射线源必定在太阳的日冕中；日冕是太阳

周围稀薄的气体晕，从太阳向四面八方延伸出几百万公里。虽然

日冕所发出的光足有满月的一半，但完全被太阳本身的光所遮蔽，

只有在日全食时才会看到，至少在一般的情况下是这样。1930

年，法国天文学家李奥发明了一种望远镜，天气晴朗时，即使没有

日食发生，在高处也可以观测到日冕。

日冕之所以会被认为是Ｘ射线源，是因为早在利用火箭研究

X射线以前，人们就怀疑它具有非常高的温度。对日食时日冕光

谱的研究发现，有些谱线与任何已知元素都联系不起来。人们怀

第二章 宇 宙

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疑这是一种新元素并命名为气①。然而，1941年，人们发现这种

免

新元素的谱线可以由被剥夺了多个亚原子粒子的铁原子产生出

来。但是，要夺去所有这些粒子需要大约

100万度的高温，而如此

高的温度足可以产生Ｘ射线了。

当太阳耀斑爆发喷入日冕时，Ｘ射线辐射会明显地增加。这

时的Ｘ射线强度表明，耀斑上方日冕的温度高达

1亿度。日冕的

稀薄气体为什么会有如此高的温度，至今仍然是一个有争议的问

题。（一定要把这里所说的温度同热区分开来。日冕中的温度是

气体中原子或粒子动能的一种量度，因为气体中粒子很少，所以单

位体积的实际热容量非常低。X射线就是由这些极高能粒子碰撞

产生的。）

太阳系以外的地方也有

X射线射来。1963年，罗西与其他天

文学家一起利用火箭把一些仪器带到空间，想知道太阳的Ｘ射线

是不是由月球的表面反射来的，结果从天空的其他地方探测到两

个特别集中的Ｘ射线源。较弱的一个（金牛

X-1，因为它在金牛

星座里）很快就同蟹状星云联系在一起。而较强的一个则是天蝎

座里的天蝎

X-1，1966年发现它与一个光学天体联系在一起，这

个光学大体似乎是一个老新星的残骸（与蟹状星云相似）。此后，

在天空中又探测到许多其他

X射线源。

要发射出跨越星际空间后强度仍足以被探测到的高能射线，

必须要有一个温度极高而且质量极大的射电源。太阳日冕发射的

X射线的强度完全达不到这种程度。

一个天体同时具有巨大的质量和

100万度的温度，这表明它

是一种比白矮星更致密、更极端的天体。早在

1934年，兹威基就

提出过，在一定的条件下，白矮星的亚原子粒子可能会结合成为叫

①一种假设的化学元素。——译注

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做中子的不带电粒子。而后这些中子被挤压到一起直到互相贴

着，结果会形成一个直径不超过

16公里（10英里）的球体，却仍

然保留着原来整个恒星的质量。1939年，美国物理学家奥本海默

比较详细地研究了这种中子星的特性。这种天体可以得到极高的

表面温度，从而放射出大量的

X射线，至少在形成后的初始阶段

是这样。

弗里德曼重点在蟹状星云中搜寻这种中子星存在的实际证

据，因为人们认为，形成蟹状星云的大爆发遗留下来的可能不是一

颗致密的白矮星，而是一颗超致密的中子星。

1964年

7月，当月

球掩食蟹状星云时，曾向大气层以外发射了一枚火箭，以记录

X

射线辐射。如果

X射线辐射来自一颗中子星，那么，当月球从这

个微小的天体前面经过时，会一下子把Ｘ射线辐射全部挡住。如

果

X射线辐射来自整个蟹状星云，那么，在月球一点儿一点儿地

掩食星云时，X射线辐射会逐渐衰减下去。结果证明是后一种情

况，蟹状星云似乎只不过是一个更大、更强的星系冕。

一时间，中子星实际存在并可以被探测到的可能性减小了；但

是在对蟹状星云试验失败的同一年，在另一方面却有了新的发现。

某些射电源发射的射电波，在强度方面似乎显示出极快速的起伏，

就好像天空到处都有射电波“闪烁”。

天文学家们很快就设计出了能够捕捉到这种爆发时间很短的

射电辐射的仪器。他们认为，利用这些仪器能够非常详细地研究

这些快速的变化。英国剑桥大学天文台的天文学家休伊什使用的

就是这种射电望远镜。他监造的

2 048个单独的接收装置，在大

约

12 000平方米的面积上摆成阵列；1967年

7月，这个阵列开始

工作。在不到几个月的时间里，在一位年轻的英国研究生

J.贝尔

的控制下，在织女星和牛郎星中间的一个地方探测到射电能的爆

发。这种短的爆发并不难探测到。如果天文学家早些时候期待发

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现这种短的爆发并研制出探测它们的仪器的话，本来是可以早些

年发现它们的。碰巧，这些爆发短得惊人，仅持续

1/30秒的时间。

更令人惊讶的是，这些爆发以

1.33秒的间隔一个接一个非常有规

律地发生。事实上，这些有规律的间隔可测到一亿分之一秒的精

确度：即

1.337 301 09秒。

当然，没有办法说明这些脉冲代表着什么，至少在最初时是这

样。休伊什只好认为这是一种脉动着的恒星，每一次脉动都有一

次能量爆发。这个名字很快就被简称为脉冲星，从而人们又知道

了一种新的天体。

应该说这种新天体不止一个。休伊什发现了第一颗脉冲星以

后，马上搜寻其他的脉冲星，

1968年

2月，当休伊什宣布他的发

现时，他已经找到了

4颗脉冲星的位置，终于他获得了

1974年的

诺贝尔物理学奖。这时，其他的天文学家才开始热心地搜寻脉冲

星，现在知道的脉冲星已有

400多颗。在我们的银河系中可能一

共有

10万颗脉冲星，有些可能近在

100光年左右。（没有任何理

由认为在其他星系中没有脉冲星，但是在如此遥远的距离，它们大

概过于微弱而探测不到。）

所有脉冲星都有极规则的脉动，但是它们的精确周期却各不

相同。有一颗脉冲星的周期长达

3.7秒。1968年

11月，天文学

家在西弗吉尼亚的格林班克探测到蟹状星云里的一颗脉冲星，周

期只有

0.033 089秒。它每秒脉动

30次。

人们自然会问：到底是什么东西能够产生如此规律而短暂的

爆发？某个天体一定在经历着某种非常有规律的变化，而变化的

间隔快得足以产生这些脉冲。会不会是一颗行星，在绕恒星运行

的过程中，每公转一周都要运行到恒星背后一次（从地球的方向看

去），而当它再出现时，发射出射电波的强烈闪光？或者，会不会是

一颗自转着的行星，每自转一周，它表面上的某个会放射出大量射

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电波的特殊斑块就朝我们的方向扫射一次？

但是，要是这种情况的话，一颗行星必须以几秒或几分之一秒

的周期绕恒星公转或绕自己的轴自转，而这是难以想象的。要产

生像脉冲星的脉冲那样快的脉冲，某个天体必须以巨大的速度自

转或公转，这就要求这个天体的体积非常小，但同时要有极高的温

度或强大的引力场或两者兼有。

这使人们立即想到了白矮星，但即使是白矮星，它们相互绕

转。自转或脉动的周期也短不到可以说明脉冲星的程度。此外，白

矮星的体积还是太大了，而它们的引力场却太弱了。

戈尔德立即提出，这可能是中子星。他指出，中子星体积小而

密度大，足以在

4秒或在更短的时间内自转一圈。而且，理论上已

经证明，中子星会有非常强的磁场，而磁极不一定在自转极的位

置。电子被中子星的引力紧紧地束缚住，只能在磁极处逸出。当

这些电子被甩出时，它们会以射电波的形式失去能量。因此，从中

子星表面相对应的两个点上，会发射出稳定的射电波束。

如果中子星自转时，一束射电波或两束射电波朝我们方向扫

过的话，那么，中子星自转一周我们就会探测到一次或两次短暂的

射电波能爆发。如果是这种情况的话，脉冲星在自转时必须至少

有一个磁极正巧朝我们的方向扫过，我们才能探测到它们。一些

天文学家估计，100个中子星中大约只有

1个符合这个条件。如

果在银河系里真有

10万个中子星的话，从地球上大概只能探测到

1 000个。

戈尔德进一步指出，如果这个理论是正确的，则中子星会从磁

极泄漏出能量，从而使自转的速度减慢。因此，脉冲星的周期越短

就越年轻，损失能量和减慢速度也就越快。

当时知道的最快的脉冲星在蟹状星云里。它可能是最年轻的

一个，因为遗留下这颗中子星的超新星爆发，发生的时间还不到

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

1 000年。

人们对蟹状星云脉冲星的周期进行了仔细研究，果然发现，正

如戈尔德所预测的那样，它的自转速度在减慢。它的周期每天增

加

10亿分之

36.48秒。在其他脉冲星中发现也有同样的现象。

进入

20世纪

70年代后，中子星假说被人们广泛接受。

有时候脉冲星会突然稍微加快周期，然后又恢复减慢的趋势。

一些天文学家认为，这可能是由星震造成的。星震是中子星内部

质量分布的转移现象。也可能是某个相当大的天体冲入中子星，

把它的动量加到了中子星上，

没有理由认为，从中子星里发射出来的电子只是以微波的形

式失去能量。这一现象应该产生光谱中所有的波。它还应该产生

可见光。

人们将注意力集中在蟹状星云里的一些天区中，那里可能会

有过去超新星爆发遗留下的可见残骸。果然，

1969年

1月，人们

注意到，在蟹状星云里有一颗暗星的光以微波脉冲的准确时间忽

隐忽现。如果天文学家过去有过应该搜寻这种快速明暗交替的想

法的话，很早以前就会发现这颗星。蟹状星云脉冲星是发现的第

一颗光学脉冲星，即第一颗可见的中子星。

蟹状星云脉冲星也会放射出

X射线，在来自蟹状星云的全部

X射线中，大约有

5%是从这个微小的闪烁着的光点放射出来的。

于是，1964年似乎已经奄奄一息的

X射线与中子星之间的关系，

又胜利地复活了。

人们可能会认为，中子星不会再有令人惊讶的事了；但是

1982年，天文学家们在波多黎各利用

300米口径的阿雷西博射电

望远镜发现了一颗脉冲星，每秒钟脉动

642次，比蟹状星云脉冲星

快

20倍。这颗星可能比大多数的脉冲星都小，直径大约不会超过

5公里；而质量可能是我们太阳质量的

2倍或

3倍；此外，引力场

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也必定非常强。但即使是这样，如此快速的自转也一定近乎于把

它扯碎的程度。另一个令人迷惑的问题是；与它消耗的巨大能量

比起来；它自转的速率减慢得没有预料的那么快。

后来又探测到第二颗这样的快脉冲星，科学家们正在忙着推

测它存在的原因。

黑洞

中子星也不是极限。当奥本海默在

1939年研究出中子星的

性质时，他还预言，一颗质量足够大的恒星（超过我们太阳质量的

3.2倍）可能会坍缩成一个点（奇点）。当这种坍缩超过中子星阶

段以后，引力场的强度将变得十分强大，任何物质（实际上，连光线

在内）都不能逃逸出来。任何物质如果被它的难以想象的强引力

场吸住，都会陷进去而再无逃脱的机会，因此可以把它形象他说

成是空间的一个无限深的“洞”。因为连光线也逃逸不出来，所以是

个黑洞，黑洞这个词是美国物理学家惠勒在

20世纪

60年代首先

使用的。

具有足够的质量而有机会在坍缩时形成黑洞的恒星大约只占

1/1 000；而在这

1/1 000的恒星中，大多数在超新星爆发的过程中

会失去足够质量，从而避免形成黑洞的命运。即使如此，目前仍可

能有数千万颗这样的恒星存在，而自我们银河系存在以来可能已

有

10亿颗。即使这些大质量恒星实际上只有

1/1 000在坍缩时

形成黑洞，在我们银河系的各个地方仍应该有

100万个黑洞。如

果真是这样的话，那么，它们到底在哪里呢？

麻烦的是，黑洞极难探测到。因为它们不发射光或任何形式

的辐射，所以用一般的方式看不到它们。而且，尽管它们的引力场

对邻近的区域非常强大，但在星际距离上引力场的强度并不比一

般恒星大。

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

但是在某些情况下，黑洞会在一些特殊的条件下存在，因而可

能被探测到。假设一个黑洞是一个双星系统的一部分，它和一颗

伴星环绕着一个共同的引力中心转动，而这颗伴星是一颗普通的

恒星。

假如它们彼此间靠得非常近，那么，普通恒星上的物质便一点

儿一点儿地向黑洞漂移，并形成一个环绕黑洞的轨道。这种在环

绕黑洞的轨道上的物质叫做吸积盘，在吸积盘里物质会一点儿一

点儿地螺旋般地进入黑洞，并在进入黑洞的过程中放射出

X射

线。

然后，我们必须在看不到恒星的天空中搜寻有没有

X射线

源，但这个源必须看上去环绕着另一颗邻近的可见恒星转动。

1965年，在天鹅座探测到一个特别强的

X射线源，被命名为

天鹅

X-1。据推测，它大约距离我们

10 000光年。1970年从肯

尼亚海岸发射了一颗Ｘ射线探测卫星，从空间探测到

161个新

X

射线源。而在此之前，天鹅

X-1一直被认为只是又一个普通的

X

射线源。1971年，这颗

X射线探测卫星探测到，从天鹅

X-1发射

出来的

X射线在强度上有不规律的变化。这种不规律的变化正

是物质在喷发中从吸积盘进入黑洞时所预料发生的。

人们立即对天鹅

X-1进行了仔细地搜寻，在它邻近的地方

发现了一颗质量约为我们太阳

30倍的又大又热的蓝星。天文学

家博尔特在多伦多大学证明，这颗星和天鹅

X-1相互绕着对方

旋转。从轨道的性质来判断，天鹅

X-1是一颗普通的恒星，它必

然会被观测到。因为它不曾被人看到，所以它必定是一个非常小

的天体。同时，因为它的质量太大，不可能是一颗白矮星，甚至不

可能是一颗中子星，所以它必定是一个黑洞。虽然天文学家还没

有完全肯定这个假设，但是大多数天文学家对这个证据表示满意，

并且相信天鹅

X-1是将被发现的第一个黑洞。

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黑洞似乎可能在恒星分布最稠密的地方和大块物质可能在一

处聚集的地方形成。因为辐射的高强度是和球状星团或星系核等

恒星聚集的中心区域联系在一起的，所以，天文学家们越来越相

信，在这种星团或星系的中心存在着黑洞。

在我们银河系的中心确实探测到一个致密而高能的微波源。

这个微波源会不会是一个黑洞呢，一些天文学家推测那的确是一

个黑洞，并推测我们银河系的黑洞有

1亿颗恒星的质量，相当于我

们整个银河系质量的

1/1 000。它的直径约为太阳的

500倍（相当

于一颗巨大的红巨星的直径），大到足以通过潮汐效应将恒星分

裂。如果恒星接近的速度够快的话，甚至会在恒星瓦解之前将它整

个吞掉。

实际上，现在看来，物质从黑洞中逃脱出来是可能的，当然不

是以一般的方式。1970年，英国物理学家霍金指出，黑洞所含的

能量有时会产生一对亚原子粒子，其中之一会脱离黑洞。实际上，

这就是说黑洞会挥发。一般恒星般大小的黑洞挥发的非常慢，要

把黑洞全部挥发掉，需要的时间长得令人难以想象（大约是目前宇

宙寿命的几万万亿倍）。

然而，当黑洞的质量变小时，挥发的速率会增加。一个大小不

超过一个行星或小行星的微型黑洞，它的挥发速率将会快得足以

发射出大量的

X射线。而且随着挥发和质量的减小，挥发的速率

和

X射线的产生率都会稳定地增加。最后，当微型黑洞小到一定

程度后，它就会爆发并发射出具有

γ射线特性的脉冲。

但是，究竟是什么力量把少量的物质压缩到形成微型黑洞所

需要的如此高的密度的呢？大质量恒星可以由本身的引力场自行

压缩，但是行星般大天体靠自身的引力场就不行了，因为后者比前

者需要更大的密度才能形成黑洞。

1971年，霍金提出，微型黑洞是在大爆炸时形成的，因为那时

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

的条件远比其他任何时候极端。那时形成的微型黑洞有一些可能

是非常小的，即使今天，在它们存在

150亿年之后，它们已经挥发

成为一个爆炸点，而天文学家仍可能会探测到

γ射线，从而证实它

们的存在。

这个理论虽然具有吸引力，但到目前为止，还没有人报道过这

种证据。

“空虚”的空间

但是，如果说宇宙中存在着使我们惊奇的天体的话，在恒星之

间广大并非空虚的空间里，也存在着许多令人惊奇的东西。这个

并非真正“空虚的”空间，已证明是天文学家观测比较近的天空的

一个困难。

在某种意义上，最难观测的星系是我们的银河系。原因之一

就是我们处在银河系之中，而其他星系我们都可以从外面看到它

们的全貌。两者之间的差异就好像站在一个低屋顶上和在飞机上

观看一个城市一样。而且，我们离银河系中心相当远，更有甚者，

我们处在一个充满尘埃的旋臂上。换句话说，我们就好像是在一

个有雾的天气里，站在郊外的低屋顶上眺望城市。

一般说来，即使在最好的情况下，恒星间的空间也不是完全的

真空。在各星系内部，通常都有一种稀薄的气体弥漫于其间。

1904年，德国天文学家哈特曼首先探测到由这种星际气体引起的

光谱吸收线。在一个星系的边缘，气体和尘埃的浓度变得很大。

我们可以看到在较近星系的周围有这种暗尘埃雾。

实际上，有一种简单的方法，我们可以把银河系的尘埃云看成

是银河里的暗区。例如，黑暗的马头星云，就是由环绕在其周围的

几百万颗明亮的恒星衬托出来的；而位于南十字座的煤袋暗星云

则是另一个有名的例子，它距离我们约

400光年，尘埃粒子散布在

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直径为

30光年的区域中。

虽然气体尘埃云遮住了我们直接观看银河系旋臂的视线，但

是我们仍可借助分光镜观测旋臂的结构。气体尘埃云中的氢原子

被旋臂中的明亮的星族Ⅰ的恒星所发射的高能辐射电离成带电的

亚原子粒子。1951年初，美国天文学家摩根发现电离氢的条纹，

并标示出蓝巨星——也就是旋臂——的谱线。它们的光谱与仙女

座星系旋臂所显示的光谱非常相似。

最靠近我们的这样一条电离氢条纹，包含了位于猎户座的蓝

巨星，因此这个条纹被称为猎户臂，我们的太阳系就在这个旋臂

中。另外两条旋臂也是用同样的方法找到的，其中一条比我们距

离银心还远，包含了英仙座的巨星，称为英仙臂。另一条距离银心

较近，含有人马座里的亮星云（人马臂）。每条臂似乎有大约

10 000光年长。

后来射电波成为一种更有力的工具，因为它不仅可以穿透模

糊的星云，而且还能够通过它们自己的声音让星云讲出自己的经

历。这是荷兰天文学家范得胡斯特研究的结果。

1944年，荷兰在

纳粹军队的占领之下，天文方面的观测几乎是不可能的，因此，范

得胡斯特只能利用纸和笔来研究星际气体中的主要成分普通氢原

子的特性。

他提出，这种原子偶尔在碰撞时会改变它们的能态，并在改变

能态的过程中放射出光谱中射电部分的微弱辐射。一个氢原子大

约要

1 100万年才改变一次能态；但是星系际空间存在着大量的

氢原子，因此，每时每刻都会有足够的氢原子发射出可以连续探测

到的辐射。

范得胡斯特计算这种辐射的波长应该是

21厘米，果然，随着

战后新射电技术的发展，1951年，哈佛大学的珀塞耳和尤恩探测

到了这支“氢之歌”。

第二章 宇 宙

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通过接收聚集氢的

21厘米辐射，天文学家能够察觉各条旋臂

的踪迹，并跟踪很长的距离——在大多数情况下几乎能绕银河系

一周。于是发现了更多的旋臂，而氢的聚集图显示出

6个以上的

条纹。

此外，“氢之歌”还告诉了我们氢的运动情况。像所有波一样，

这种辐射也有多普勒－斐索效应。这就使天文学家能够测量出运

动着的氢云的速度，从而除了别的之外，探测到我们银河系的旋

转。这项新技术证实，银河系的旋转周期（在我们到银心的距离

上）为

2亿年。

在科学上，每一项新发现都会打开通往新的神秘的大门，同

时，最重大的发展往往来自意外的发现，即推翻原有观点的发现。

这里有一个有趣的例子，对我们银心的一个氢聚集区的射电研究，

发现了一个令人困惑的现象。似乎仍在扩散着的氢却被局限在银

河系的赤道面上。这种扩散本身是令人惊奇的，因为没有一种理

论能够解释这种现象。而且，如果氢正在扩散着，那么，在银河系

长久存在期间，它为什么没有全部消散？它是否表示，像奥尔特所

猜想的那样，大约

1 000万年前银河系中心曾经爆发，如同更近时

期

M-82所发生的爆发一样？再者，氢的平面并不是非常平的，

而是一端向下弯曲，另一端则向上弯曲。为什么会有这种现象，到

目前还没有人提出适当的解释。

就射电波而言，氢不是（也不应该是）惟一的元素。每一种不

同的原子或原子的组合，都能够发射出特征射电辐射，或者从总的

背景中吸收特征射电辐射。因此，天文学家便自然地开始搜寻除

最普通的氢以外的其他原子的蛛丝马迹。

自然界里的氢几乎都属于最简单的一种，即氢-1，另外，还

有一种比较复杂的氢-2，也称为氘或重氢，天文学家仔细搜寻天

空中不同位置放射的射电波辐射，企图找出理论预测的氘的波长。

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1966年终于探测到了这种波长，同时测知宇宙中氢-２的含量大

约是氢-1的

5%。

宇宙中最普通的成分，除了氢以外，就是氦和氧了。一个氧

原子和一个氢原子结合形成一个羟基。在地球上，这种结合是极不

稳定的，因为羟基很活泼，几乎可以与它遇到的所有其他原子或分

子结合。它特别容易与第二个氢原子结合形成一个水分子。然

而，在星际空间中，由于原子扩散得很稀薄，因而原子间碰撞的机

会极少，羟基一旦形成，就会长时间不受干扰，正如

1953年苏联天

文学家什克洛夫斯基所指出的那样。

经计算证明，这种羟基会放射或吸收

4种特殊波长的射电波。

1963年

10月，其中的两种射电波被麻省理工学院林肯实验室的

射电工程师小组探测到。

由于羟基的质量大约是单个氢原子的

17倍，所以运动比较缓

慢。在任何特定的温度下，羟基的运动速度只有氢原子的

1/4。一

般来说，运动会使波长变得模糊起来，因此，羟基的波长比氢的清

晰。羟基的位移比较容易测定，同时，也比较容易判断含有羟基的

气体云是在接近还是在退离。

当天文学家在广阔的星际空间发现了含有两个原子的化合物

时，虽然很高兴，但并不感到十分惊讶。他们自然而然地开始搜寻

其他化合物，但并不抱有很大的希望。由于在星际空间原子扩散

得十分稀薄，因此，使两个以上的原子有足够长的时间相聚而形

成化合物的机会是极少的。不如氧原子普遍的原子（例如碳和氮，它

们是仅次于氧的比较容易形成化合物的元素）似乎根本没有形成

化合物的可能性。

但是，从

1969年开始，却出现了真正令人惊讶的事情。同年

11月，天文学家发现了水分子（

H2O）的射电波“指纹”。这些水分

子是由

2个氢与

1个氧共

3个原子结合成的。在同一个月里，还

第二章 宇 宙

第二章 宇 宙

探测到了氨分子（

NH3），这更加令人惊奇。氨分子是由

4个原子

结合成的，其中

3个是氢，另

1个是氮。

1969年，又探测到含有

1个碳原子的

4原子化合物。这就是

甲醛（H2CO）。

1970年又有一些新发现，其中包括

5原子的分子丙炔腈，它

含有一条由

3个碳原子构成的链（

HCCCN）；另外还探测到含有

6

个原子的分子甲醇（CH3OH）。

1971年，探测到由

7个原子结合成的甲基乙炔（

CH3CCH）分

子。而

1982年，探测到

13个原子的化合物氰基癸五炔，它含有

1

条由

11个碳原子构成的直链，链的一端有

1个氢原子，另一端有

1个氮原子（HC11N）。

天文学家们发现，他们面临着一门崭新的、未曾预料到的科学

分支：天体化学。

这些原子是如何聚集在一起而形成复杂分子的呢？这种分子

在恒星的硬辐射的冲击下是怎样保留下来的呢？在通常情况下，

这些分子是会被分解的。对此目前天文学家还无法解释。据推

测，这些分子并不是在我们想象的空虚的星际空间形成的，而可能

是在即将演化成恒星的正在增厚的尘埃云区域产生的。

如果是这样的话，人们可能会探测到更加复杂的分子，而这些

分子的存在会使我们对行星上生命演化的观点发生彻底的改变。

对此我将在下面几章中加以阐述。

（朱 岚 译）

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第三章 太 阳 系

太阳系的诞生

无论宇宙多么壮丽辽阔，深邃莫测，我们总不能永远沉湎于它

的宏伟之中。我们必须回到我们生活的星球小家族中来，回到我们

的太阳以及环绕着太阳的星球上来。

到了牛顿时代，人们已经能够把地球和太阳系的产生作为整

个宇宙产生问题中的一个单独问题进行理智的推测。（太阳是构

成我们银河系的亿万颗恒星中的一颗，而地球是环绕着太阳的行

星中的一个。太阳系的示意图（图

3-1）表明，太阳系是一个具有

某些统一特征的结构。

1. 所有的大行星几乎都在太阳的赤道面上环绕着。换句话

说，如果你给太阳和它的行星做一个立体模型的话，你就会发现这

个模型可以做得正好放进一个非常浅的平底锅上。

2. 如果你从北极星方向往下看太阳系的话，所有的大行星都

以相同的方向——逆时针方向绕着太阳转动。

3. 各个大行星在绕太阳公转的同时，还绕自己的轴逆时针方

向的自转（有某些例外）；太阳本身也在逆时针方向自转。

4. 这些行星离太阳的距离平稳地增加，而且都有近乎圆形的

轨道。

5. 除了某些例外，所有的卫星都在其各自的行星赤道面上，

第三章 太阳系

第三章 太阳系

图 3-1太阳系示意图，按照行星的相对大小排列出次序

以近乎圆形的轨道沿着逆时针方向绕行星运行。

这张图中的普遍规律性使人们自然而然地认为，整个太阳系

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是由某种单一的过程产生的。

那么，太阳系的生成过程是怎样的呢？到目前为止，所提出的

全部理论可以分为两类：灾变说和演化说。灾变说的观点是，太阳

是单独生成的，在其历史上的某个较晚的阶段，由于发生了某个激

烈的事件，结果使太阳得到了一个家族。演化说则认为，太阳和行

星，整个系统从一开始就是以有条不紊的方式形成的。

在

18世纪，当时科学家们仍迷惑于圣经故事中的大洪水之类

巨大事件，因此认为地球的历史充满着激烈的灾变的假说颇受欢

迎。那么为什么不能有一次超级大灾变来开始这整个过程呢？法

国博物学家布丰

1745年提出了一个流行的理论，认为太阳系是太

阳和一个彗星在一次相撞时产生的碎片生成的。

布丰当然指的是太阳和另一个具有相当质量的天体的碰撞，

他之所以称这个天体为彗星是由于想不出别的名称。我们现在知

道，所谓彗星，其实是被几缕极稀薄的气体及尘埃包围着的微小天

体。但布丰的理论仍然可以存在，只要我们给碰撞的天体另起一

个名字就行了。后来，天文学家们又回到了他的想法。

虽然如此，对某些人来说，把引起太阳系诞生的过程，设想成

一个时间很长很长的非灾变的过程，似乎更为自然，更少偶然性。

这种想法能以某种方式适应牛顿所提出的支配宇宙中星球运动的

自然定律。

牛顿自己曾经提出，太阳系可能是由稀薄的气体尘埃云在万

有引力的作用下逐渐凝聚而成的。当这些粒子聚集在一起时，引

力场会增强，从而会加速凝聚，最后，整个质量就会坍缩成一个致

密的天体（太阳），收缩所释放的能量使天体变得炽热。

实质上，这是今天有关太阳系起源的一些最流行的理论的基

础。但是要回答一些具体问题，还有许许多多困难的问题需要解

决，比如说，高度离散的气体怎么能被非常微弱的引力聚集在一起

第三章 太阳系

第三章 太阳系

呢？近几年来，天文学家提出，这一起始力可能是一次超新星爆

发。设想一大片数十亿年来没有多大变化的气体尘埃云，恰巧行

经一颗刚刚爆发的超新星周围，爆发产生的激波和巨大的尘埃气

体风暴强行冲入那片接近宁静的气体尘埃云，增强了它的引力场，

开始了它的凝聚，结果就形成了一颗恒星。

如果这就是太阳诞生的方式，那么行星又是如何产生的呢？

它们是从哪里来的呢？1755年康德首先试图解答这个问题，1796

年法国天文学家兼数学家拉普拉斯也试图独立地解答这个问题。

拉普拉斯描述得比较详细。

根据拉普拉斯的描述，开始时这一大团收缩的物质云在旋转

着，越收缩旋转得越快，正如滑冰的人把手臂内收时旋转得更快一

样。（这种效应是由于角动量守恒：角动量等于转动物体的转动惯

量

I和角速度

ω的乘积，即

Iω。对于不受外力作用的给定物体，

总角动量为恒量。当滑冰者双臂收回时，转动惯量

I减小，角速度

ω增大，所以旋转得更快。）当这团旋转的气体尘埃云加速后，按照

拉普拉斯的说法，会从其快速旋转的赤道上抛出一个物质环，从而

减少了一些角动量，剩下的气体尘埃云就慢下来。但是因为它进

一步收缩，它就会再一次达到那个速度，使它抛出另一个物质环。

这样，正在聚结中的太阳就留下一系列的圆环——轮胎状的物质

云。拉普拉斯认为，这些圆环逐渐凝聚成行星，而它们自身也按着

这个过程抛出一些小圆环，形成它们的卫星。

因为根据这个观点，太阳系的起源乃是一团云或星云，同时因

为拉普拉斯曾举仙女座星云为例（当时还不知道仙女座星云是一

个巨大的星系，而被认为是一团旋转着的气体尘埃云），所以这种

说法被称为星云假说。

拉普拉斯的星云假说看起来非常符合太阳系的主要特征——

甚至某些细节。比方说，土星的光环很可能是凝结不起来的卫星

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环（如果把这些环聚集在一起，的确能够形成一个相当大的卫星）。

同样，在火星和木星之间的一条带区里绕着太阳运转的小行星，可

能是一个环的一些节段的产物，这个环未能聚合成一个行星。而

当亥姆霍兹和开尔文勋爵逐步建立起太阳的能量来自太阳慢速收

缩的理论时，他们的理论似乎也符合拉普拉斯的说法。

星云假说盛行了大半个

19世纪，但在

19世纪结束之前却出

现了明显的致命缺陷。1859年，麦克斯韦以数学的方法分析土星

环，发现由任何物体抛出的气体物质环只能凝结成像土星环那样

的小粒子集合体，永远不会形成一个固体，因为万有引力会把环拉

散，不让它凝聚成一个坚固天体。

角动量的问题也出现了。原来在太阳系中，行星所占的质量

仅略大于

0.1%，却拥有总角动量的

98%！单是木星就占有整个太

阳系总角动量的

60%。太阳则只占原始星云角动量的极小的一

部分。那么，为什么几乎全部的角动量都集中在从星云分裂出去

的小环上呢？

由于下述情况，这个问题变得更加令人迷惑不解：木星和土星

都有一个卫星系统，看上去像是两个小型的太阳系，而且可能是以

同样的方式形成的；但是中心的行星体却保留了大部分角动量。

到了

1900年，星云假说已经毫无生气，以致任何演化的观点

似乎都不可相信。于是灾变说又登场了。

1905年，两位美国科学

家钱伯林和莫尔顿用一个比彗星更好的字眼，把行星解释成是太

阳和另一颗恒星几乎碰撞的结果。这次相遇从太阳和那颗恒星中

拉出一些气体物质，留在我们太阳附近的那些物质云团后来凝缩

成一些小的星子，然后再聚成行星。这就是星系假说。至于角动

量的问题，英国科学家金斯和Ｈ

. 杰弗里斯

1918年提出了一种潮

汐假说，他们认为，从我们太阳旁边经过的那颗恒星的万有引力把

被拖出去的气体物质从侧面猛拉了一下，从而使气体物质有了角

第三章 太阳系

第三章 太阳系

动量。如果这种灾变理论是正确的，那么行星系统将会是非常稀

少的。超新星爆发已经是很罕见的了，而分布遥远的恒星发生碰

撞的可能性还不到超新星的

1/10 000，据估计，根据这种理论在

银河系的一生中，能够产生太阳系这类的碰撞大概只发生过

10次。

但是，在数学分析的检验之下，这些设计灾变的最初企图均未

成功。罗素证明，在任何这种接近碰撞中，行星在离太阳就像实际

那么远的地方就早毁灭了。此外，为了补救这一理论，人们曾经设

想了各种实际碰撞而不是接近碰撞的情形，也没有什么成效。在

20世纪

30年代，利特尔推测有一次三颗恒星相撞的可能性；后

来，霍伊尔提出太阳曾经有过一个伴星，以后变成超新星消失了，

留下了现在这些行星。然而

1939年，美国天文学家斯皮策证明，

在任何情况下，从太阳抛射出来的任何物质都会因过热而无法凝

聚成为星子，而只能扩散成稀薄的气体。这个结论似乎结束了灾

变的一切想法。（不过，

1965年仍有一位英国天文学家伍尔夫森

认为，太阳可能是从一个松散的冷恒星那里得到它的行星物质的，

如此将不涉及极高温的问题。）

于是，在星子理论结束之后，天文学家们又回到了演化的观

点，而对拉普拉斯的星云假说另眼相看了。

这时，天文学家们对宇宙的了解已有了巨大的进展，现在他们

必须说明星系的形成。形成星系所需要的气体尘埃云，要比被拉

普拉斯设想为我们太阳系之母的云团大得多。同时，现在看来，这

样一些巨大的物质集合体会经过湍流而分裂成许多旋涡，而每个

旋涡都有可能凝结成一个独立的系统。

1944年，德国的天文学家韦扎克对这个构想作了透彻的分

析。他计算出，最大的旋涡含有形成星系的足够物质。旋涡在湍

流收缩期间会产生子旋涡，每个子旋涡也很大，足以产生一个太阳

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系（包含一个或多个太阳），而在太阳旋涡外围的亚子旋涡则可能

形成行星。于是，在这些亚子旋涡汇合处就像啮合的齿轮一样反

向运转，形成的尘埃粒子会互相碰撞并聚合在一起，先形成星子，

然后再聚合成行星。（图 3-2）

图 3-2韦扎克的太阳系起源模型。他的理论认为，由小云团组成

的巨大云团分裂成大漩涡和子漩涡，然后再并合形成太阳、行星及

行星的卫星

在解决行星角动量的问题上，韦扎克的理论本身并没有超过

比它简单得多的拉普拉斯理论。瑞典天体物理学家阿耳文考虑到

了太阳的磁场。当年轻的太阳快速旋转时，它的磁场就如同制动

器一样使它减速，从而将角动量传递给行星。霍伊尔对这一观点

第三章 太阳系

第三章 太阳系

作了详细的说明，因而使修改后的韦扎克理论既包括万有引力也

包括磁力，似乎是迄今为止能够说明太阳系起源的最好的理论。

太 阳

很明显，太阳是地球上光、热和生命本身的源泉。甚至在史前

时代，人类就必定会把太阳当做神来崇拜，我们所知道的第一个

一神论者，是公元前

1379年取得埃及王位的法老埃赫那顿，他就

把太阳当做惟一的神。在中世纪时代，太阳是完美的象征，虽然它

本身没有被认为是神，但无疑地认为它代表着上帝的完美。

最早对太阳的实际距离有概念的是古希腊人。阿利斯塔克的

观测指出，太阳离我们至少有数百万公里远，因此根据肉眼所见的

大小来判断，它必然比地球大。然而只是大小尚不能给人以深刻

的印象，因为很容易把太阳设想成是一个仅由非实体的光所构成

的大球。

直到牛顿时代才知道，太阳不仅比地球大，它的质量也远超过

地球。同时还知道，地球精确地沿一定的轨道绕太阳运行，是因为

地球受到太阳的强大的引力场的影响。我们现在知道，太阳距离

地球

1.5×108公里；直径

1 392 000公里，是地球直径的

110倍。

它的质量是地球的

33万倍，也是太阳系所有行星物质总和的

745

倍。换句话说，太阳占有太阳系中

99.86%的物质，是这个系统中

压倒一切的首领。

然而我们不应当过分注重它的大小；其实它并不是一个完美

的天体——如果我们像中世纪的学者们那样，把完美定义为亮度

均匀和毫无斑点的话。

在

1610年将近年底的时候，伽利略用他的望远镜在黄昏的雾

霭中观察太阳，结果每天都在日轮上看到深色的黑子。根据这些

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黑子横过太阳表面稳定前进，以及它们在接近太阳边缘的过程中

缩短的情形，伽利略断定，这些黑子是太阳表面的一部分，同时推

断，太阳在略多于

25个地球日的时间内绕自己的轴自转一周。

当然，伽利略的发现遭到强烈的反对；因为根据古老的观念，

这简直就是对神明的亵渎。德国天文学家席纳尔也观察到了这些

黑子，不过他认为，这些黑子并不是太阳的一部分，而是一些绕太

阳旋转的小天体，只不过在明亮的日轮的衬托下显得较为黑暗而

已。但是伽利略获得了这场争辩的胜利。

1747年，苏格兰天文学家威尔逊在靠近太阳边缘的地方看到

了一个太阳黑子，当从侧面看的时候，有些内凹，仿佛是太阳上的

一个火山口。这一点在

1795年被Ｗ. 赫歇耳所采纳。Ｗ. 赫歇耳

认为，太阳是一个既黑暗又寒冷的天体，被一层燃烧着的气体包围

着。按照这一观点，太阳黑子则是一些洞，透过这些洞可以看到里

面那个寒冷的天体。Ｗ

. 赫歇尔猜测，那个寒冷的天体上可能有一

些有生命的东西居住着。（请注意，优秀的科学家也会提出一些鲁

莽的理论，这些理论在当时的知识背景之下，似乎是合理的，但是

随着日后更多证据的累积，终于被证明原来是非常荒唐的错误。）

实际上，太阳黑子并不真正是黑色的。它们是太阳表面上一

些比较冷的区域，所以看上去显得比较暗。然而，如果水星或金星

运行到地球和太阳之间的话，都会在日轮上显出一个真正的小黑

圆圈。如果这个圆圈移动到一个太阳黑子附近，人们就会发现太

阳黑子其实并不真正是黑色的。

然而即使是完全错误的观点也会有用，因为Ｗ

. 赫歇耳的看

法使人们增加了对太阳黑子的兴趣。

癖好天文学的德国药剂师施瓦贝在这个问题上却有了真正的

突破。由于他白天整天工作，无法晚上熬夜来看星星，便设法给自

己找一件白天能做的事，最后决定观察日轮，寻找接近太阳的行

第三章 太阳系

第三章 太阳系

星，行星从太阳前面经过，可以证实这些行星的存在。

1825年，他开始观察太阳，因而经常看到太阳黑子。过了一

段时间以后，他把行星的事丢到了脑后而开始描绘这些每天都改

变位置和形状的太阳黑子。只要不是全阴天，他就天天观察太阳，

一直坚持了

17年之久。

到了

1843年，他非常有把握地宣称，这些太阳黑子并不是随

意出现的，而是有一个周期。年复一年，太阳黑子愈来愈多；一直

达到一个顶峰；然后数量逐渐减少，直到几乎没有；于是一个新的

周期再度开始。我们现在知道，这个周期有点不规则，但平均起来

大约是

11年。施瓦贝的发现并没有受到重视（毕竟，他只是个药

剂师），直到著名的科学家洪堡

1851年在他的一部科学著作《宇

宙》中提到这个周期之后，才为人们所接受。

此时，苏格兰血统的德国天文学家拉蒙特在测量地球的磁场

强度。他发现地球磁场的强度有规律地上升和下降。

1852年，美

国物理学家赛宾指出，这个周期与太阳黑子的周期时间相合。

这样看来，太阳黑子对地球有影响，因而人们开始怀着浓厚的

兴趣研究太阳黑子。每年都根据一个公式给出一个苏黎世太阳黑

子数，这个公式是在苏黎世工作的瑞士天文学家沃尔夫

1849年首

先提出的。（他还率先指出，极光发生率的升降也与太阳黑子的周

期合拍。）

太阳黑子似乎与太阳的磁场有关，并且似乎出现在磁力线的

出射点上。1908年，在发现太阳黑子３个世纪之后，海耳探测到

一个与太阳黑子相联系的强力磁场。太阳的磁场为什么会有那些

表现，为什么会在不固定的时间和地点出现在太阳表面上，为什么

其强度会随着某些不规则的周期而增减？这些问题到目前为止仍

属于未能解决的太阳之谜。

1893年，美国天文学家蒙德为了建立伽利略发现太阳黑子后

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的第一个世纪中太阳黑子周期的资料，检查了所有早期的报告。

他惊讶地发现，在

1645年—1715年竟然没有有关太阳黑子的报

告。诸如

J. D. 卡西尼等重要天文学家都寻找过太阳黑子，并对他

们一个黑子也没有找到的事发表过评论。蒙德

1894年将此发现

予以公布，

1922年再次公布，但是，他的工作没有受到重视。太阳

黑子的周期已经被证实得如此充分，以致要说有一段

70年的时间

几乎没有太阳黑子出现，这似乎是难以令人相信的。

20世纪

70年代，美国天文学家埃迪无意中发现了这份报告，

经仔细检查，发现的确有所谓的蒙德极小期。他不仅重复了蒙德

的研究，而且调查了从包括远东在内的许多地区收集来的用肉眼

观测到的特大太阳黑子的报告——这些都是蒙德未得到的资料。

这些纪录追溯到公元前

5世纪，通常每个世纪有

5～10次的观测

记录。在这中间也有间断，其中一次间断跨越了蒙德极小期。

埃迪还检查了关于极光的报告。极光的频率和强度以太阳黑

子的周期升降。结果表明，

1715年以后这种报告很多，1645年以

前也不少，但是在

1645年—1715年却一份也没有。

再者，当太阳磁场活跃并有许多太阳黑子时，日冕会充满日冕

射线而显得非常美丽。当缺乏太阳黑子时，日冕看起来像是毫无

特色的烟雾。日冕在日食时可以看到；尽管在

17世纪天文学家很

少旅行去观察日食，但是，在蒙德极小期期间同样存在着日食报

告，这样的报告讲的一律都是没有或很少有太阳黑子时的那一类

日冕。

最后，在黑子极大期之时，会发生一连串的事件，使碳-14的

产量比平常低。因此，可以分析树木年轮中碳-14的含量，以碳

-14含量的升降来判断太阳黑子的极大期或极小期。这种分析也

证明了蒙德极小期的存在，实际上，在更早的一些世纪中已有许多

个蒙德极小期。

第三章 太阳系

第三章 太阳系

埃迪的报告指出，在最近的

5 000年内大约有

12个周期，而

每次蒙德极小期持续的时间从

50年～200年不等。例如，在

1400年—1510年就有一个蒙德极小期。

既然太阳黑子的周期对地球有影响，我们或许会问，蒙德极小

期对地球有什么影响？这个影响可以说与冷期有关。在

17世纪

的第一个

10年当中，欧洲的冬天非常寒冷，以致被称为小冰河时

期。在

1400—1510年的蒙德极小期期间也很寒冷，当时格陵兰岛

上的挪威移民都消失了，因为天气冷得简直无法生存。

月 球

当

1543年哥白尼把太阳放在太阳系的中心以后，地球的忠实

跟随者仅剩下月球了。过去长久以来，地球一直被认为是太阳系

的中心。

月球每

27.32天绕地球一周（相对于恒星而言）。它也以同样

的时间绕自己的轴自转一周。由于公转和自转周期相同，导致它

永远以同一面对着地球。这个公转和自转周期的相等并不是一个

巧合，而是地球对月球有潮汐作用的结果，这一点我将在下面解

释。

月球相对于恒星的公转我们称为恒星月。然而当月球绕地球

公转时，地球也绕着太阳公转。这样当月球绕地球一周时，由于地

球的运动带着月亮一起运动，所以太阳在天空的位置也略有移动。

月球必须再公转两天半的时间才能赶上太阳，回到和以前相同的

相对与太阳的位置。月球相对于太阳绕地球公转称为朔望月，朔

望月是

29.35天。

对人类而言，朔望月远比恒星月重要得多，因为在月球绕地球

公转的过程中，日光照射到我们所看见的月面上的入射角会经历

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稳定的变化，而这个角度决定乎月球相对于太阳的公转。月球要

经历接连发生的月相。在一个月的开头，月亮正好位于太阳的东

边，只有日落以后才能看到一弯细细的娥眉月。

夜复一夜，月球行离太阳愈来愈远，娥眉月也愈来愈粗，终于，

月球明亮的部分变成了半个圆，之后，它超过了半圆。当月球运行

到正好与太阳相对的天空位置时，太阳光便通过地球的“肩膀”（打

个比方）照亮我们可以看到的整个月面：这个明亮的圆月面称为满

月（望）。

之后，黑影从娥眉月出现的地方侵入月球。夜复一夜，月球明

亮的部分逐渐减少，直到再次成为半圆；但明亮部分和上次的半圆

相反。最后，我们只能在破晓时看到一弯娥眉月出现在太阳的西

边，但弯钩的方向却和月初的娥眉月相反，然后月球通过太阳；再

度在夕阳之后以娥眉月出现，整个变化又重新开始。

月相变化的整个周期持续

29.5天，正好是朔望月的时间，构

成了人类最早历法的基础。

人类当初以为月球随着月相的变化，真的是在盈、亏、生、死。

甚至有人认为，每次在日落后出现于西方天空的娥眉月确确实实

是一个新的月球，直到今天人们仍称之为新月。

然而，古希腊的天文学家认识到，月球一定是一个球；由于只

能反射太阳光而发光，所以才会有月相变化；而月球在天空中相对

于太阳的位置变化恰恰正是发生月相的原因。这是一个十分重要

的事实。希腊哲学家，特别是亚里士多德，企图证明地球的性质和

其他天体共有的性质全然不同，以此把地球和其他天体区分开来。

于是，他们提出，地球是黑暗的并且不发光，而所有其他的天体都

发光。亚里士多德认为，天体是由一种他称为以太（源自希腊语

“发光”）的物质构成的，这种物质与构成地球的物质根本不同。然

而月球的月相周期表明，月球和地球一样自身不发光，只是因为反

第三章 太阳系

第三章 太阳系

射太阳光才发亮。所以，月球至少在这一点上和地球是相同的。

此外，有时太阳和月球正巧位于地球的两边，太阳光被地球挡

住而无法到达月球，于是月球便通过地球的阴影而发生月食；月食

总是发生在满月的时候。

在远古时代，人们认为，月食是月球被某种邪恶势力所吞噬，

会永远完全消失。这曾经被看成是一种可怕的现象；而科学的一

项早期成果，就是能够预报月食，并证明这是一种很容易解释明白

的自然现象，（有人认为，英国索尔兹伯里平原上的史前巨石阵就

是远古石器时代的天文台，可以根据太阳和月亮相对于这一结构

中规则排列的石柱的位置变化，来预报月食的来临。）

事实上，当月球是娥眉月时，有时可以看到以微红的光勾画出

来的月球其余部分的暗淡轮廓，伽利略认为，地球和月球一样，一

定也反射太阳光而发亮，而月球上没被太阳照到的部分会被地球

光朦胧地照亮。只有当能够被看到的受太阳照射的部分非常小，

小到它的光不至于淹没掉暗淡得多的地光时，才能看到这种情景。

所以，不仅月球像地球一样不发光，地球也像月球一样反射太阳

光，并和月球一样出现位相变化（如果从月球上来看的话）。

地球和其他天体之间另一个想象的根本差异是：地球是有瑕

疵的、不完美的、不断变化的，而其他天体则是完美无缺的、永恒不

变的。

天上的星球中，只有太阳和月球在人的肉眼看来不是光点。

在这两者之中，太阳看上去是一个完美的光圆，而月球——即使不

考虑它的月相变化——是不完美的。在满月的时候，月亮看来似

乎是一个非常完美的光盘，然而很明显它并不完美。在它柔和的

光面上有许多污迹，它们损害了完美的观念。远古的人类把这些

污迹当作绘画的题材，每种文化所画出来的图画都不一样。人类

的自负使得人们把这些污迹看成是一幅人的图画，至今我们仍然

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说到“月球上的人”。

1609年，伽利略首次用望远镜观察天空，当他将镜头指向月

球时，看到了高山、环形山和平原，最终证明月球并不是一个完美

的天体，它与地球十分不同，但却是一个和地球类似的世界。

但是，这项认识本身并没有完全推翻古老的想法。希腊人注

意到，在通常情况下，天空中有几个天体稳定地改变着相对于恒星

的位置，其中月球改变得最快。他们认为，这是因为月球距离地球

比其他天体近的缘故（这一点希腊人是对的）。有人可能会争辩

说，因为月球靠近地球，所以多少会受到地球不完美的污染，月球

受了近邻之害。直到伽利略发现太阳黑子后，完美天体的想法才

真正被打碎。

测量月球

如果月球是最接近地球的天体，它有多近呢？在企图确定这

个距离的古希腊天文学家中，喜帕恰斯基本上得出了正确的答案。

现在知道月球离地球的平均距离是

384 401.377公里，大约是地

球周长的

9.6倍。

如果月球的轨道是圆的，那么它和地球之间会总是这个距离。

然而月球的轨道有点椭圆，而且地球并不在椭圆的中心，而是在中

心以外的一个焦点上，所以月球在近乎一半的轨道上略接近地球，

而在另一半轨道上则略远离地球。最接近地球的地方称为近地

点，距离地球

356 400公里；离地球最远的地方称为远地点，距离

为

406 600公里。

如同希腊人猜测的那样，月球是所有天体中最接近地球的天

体。即使我们不管恒星而只考虑太阳系，那么相对来说月球也是

在我们的后院。

月球的直径从它的距离和视大小来判断，大约是

3 480公里，

第三章 太阳系

第三章 太阳系

地球的直径是它的

3.65倍，太阳的直径则是它的

412倍，碰巧太

阳到地球的距离大约是月球到地球平均距离的

390倍，所以距离

和直径的差异几乎抵消，使这两个实际大小相差很大的天体在天

空中看起来却差不多大。由于这个缘故，当月球运行到太阳正前

方时，这个小而近的天体几乎可以完全遮掩住大而远的太阳，使日

全食成为壮丽的奇观。这是一个惊人的巧合，它对我们有益。

到月球上去

月球离地球如此之近，在天空中的形象又是如此地突出，所

以长久以来一直激励着人们的想像力。是不是有方法到月球上去

呢？人们可能也想到太阳上去，但太阳明显的又高又热使这些人

泄了气。月球不仅近得多，而且温和得多，显然是一个比较理想的

目标。

在早些时候，人们似乎并不认为到月球上去是一件无法完成

的工作，因为那时候人们认为大气延伸到所有的天体，所以任何能

把你带到空中的东西，在极端的情况下有可能会把你带到月球上

去。

因此，在

2世纪时，叙利亚作家卢奇安写了我们所知道的第一

个空间旅行的故事。故事中说，一艘船遇上龙卷风，船被龙卷风卷

起的水柱顶上了云霄，高得可以到达月球。

接着

1638年，出现了一本名为《月中人》的书，作者是英国牧

师戈德温（在这本书出版之前作者就去世了）。书中的主人公乘着

由大鹅拉的马车到了月球；这些大鹅每年都要移栖到月球上去。

然而

1643年，空气压力的性质逐渐为人们所了解，人们立刻

发现，地球的大气不可能延伸到地球表面几公里以外的地方。地

球和月球之间的空间大部分是真空，水柱无法穿透，大鹅也不能飞

行。到月球去的问题空然变得难以解决，但仍然不是毫无办法。

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1650年，出现了一本叫做《到月球去旅行》的书，是法国作家

西拉诺·德·贝热拉写的，这本书是在作者死后才出版的。西拉诺·

德·贝热拉在书中列出

7种可能到达月球的方法，其中

6种因种种

理由发现是完全错误的。但他的第七种方法是利用火箭。火箭的

确是那时（或现在，就此而言）所知道的可以穿越真空的惟一方法。

然而直到

1687年，人们才明白了火箭的原理。那年，牛顿出

版了他的巨著《自然哲学的数学原理》，其中列出了他的运动三定

律。第三定律就是尽人皆知的作用与反作用定律：当一个力作用

在某个方向时，在另一个方向上会产生一个大小相等、方向相反的

力。因此，如果一枚火箭往某方向喷出大量物质的话，火箭的其余

部分会往另一个方向运动，无论在空气中还是在真空中都是这样。

实际上，在真空中会运动得更轻松，因为没有空气阻抗运动。（人

们通常认为，火箭需要某个东西来推它，这种看法是错误的。）

火箭技术

火箭并不只是理论上的事物。早在西拉诺·德·贝热拉把它写

下来以及牛顿把它理论化之前的几个世纪中，它就存在了。

中国人早在

13世纪就发明并利用小火箭来进行心理战——

吓唬敌人，而现代的西方文明则是将火箭当作杀人的武器。

18世

纪

80年代，印度军队曾使用火箭来抵抗英军，英国大炮专家康格

里夫由此在东方学到了火箭的秘诀。

1801年他设计了许多致命

的飞弹。有些飞弹在

1812年战争中被用来和美国作战，其中著名

的一次是

1814年麦克亨利堡大轰击，这次大轰击激发弗朗西斯·

司各特

·基写了《星条旗》，歌颂“火箭的眩目红光”。但是当传统大

炮在射程、准确性和威力方面获得改进之后，火箭就一蹶不振。然

而在第二次世界大战中发展起来的火箭炮（美国的火箭筒和苏联

的喀秋莎），基本上是利用火箭推进的炸药包。另外，喷气式飞机

第三章 太阳系

第三章 太阳系

也是利用火箭的作用和反作用原理，只是规模大得多。

大约在

20世纪开始的时候，有两个人不约而同地想到了一种

新的更好的利用火箭的用途——探测高层大气及空间。他们分别

是俄国的齐奥尔科夫斯基和美国的戈达德。（富有想像力的德国

发明家赫尔曼·甘斯温特在当时也提出过甚至更加雄心勃勃但不

太系统、不太科学的构想，所以，考虑到后来的发展，说一个俄国人

和一个美国人是火箭时代的第一批先驱，这的确是很奇怪的。）

齐奥尔科夫斯基在

1903－1913年之间首先出版了他的推测

和计算；戈达德则直到

1919年才出版。但戈达德却是第一位将推

测付诸实际行动的人。1926年

3月

16日，在马萨诸塞州奥本一

个冰雪覆盖的农场里，戈达德发射了一枚火箭，升入空中

60米

（200英尺）。值得注意的是，他的火箭是由液体燃料助推，而不是

火药。普通的火箭、火箭炮和喷气式飞机等都是利用周围空气中

的氧，而戈达德的火箭当时就是为在外层空间工作而设计的，所以

必须携带液态氧作为氧化剂。

凡尔纳在他

19世纪的科幻小说中，曾设想以大炮作为去月球

旅行用的发射装置。但是，大炮在发射时就把全部力量一下子用

完了，而此时正是大气最稠密、阻力最大的时候。不仅如此，宇宙

飞船在起飞的时候就得到它所需要的全部加速度，这种加速度大

得足以把宇宙飞船内的任何人压得粉身碎骨。

戈达德的火箭在一开始慢慢地上升，逐渐增加速度，在大气稀

薄、阻力微小的高空使用它最后的冲力。速度的逐渐增加就是把

加速度保持在能够承受的水平，这一点对于载人的宇宙飞船是非

常重要的。

遗憾的是，戈达德的成就几乎没有得到任何重视，只有他那生

气的邻居一直想把他赶到别处去做实验。于是戈达德便将火箭发

射场移到一个更隐秘的地方。在

1930－1935年之间，他的火箭达

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到了每小时

885公里（

550英里）的速度，高度达

2.5公里（1.5英

里）。他研制出了控制火箭飞行的系统和使火箭保持正确航向的

陀螺仪。戈达德也申请到多节火箭的专利。由于多节火箭每一节

都甩掉部分原始重量，同时新的一节从上一节得到的速度开始加

速，因此起始速度一节比一节高，所以，一枚多节火箭与一枚载有

同量燃料的单节火箭相比，得到的速度要大得多。

第二次世界大战期间，美国海军不认真支持戈达德做更深入

的实验。就在这时候，德国政府使用了一批起初受过奥伯特鼓舞

的年轻人作为它的特种部队，在火箭研究方面做了很大的努力。

奥伯特是一位罗马尼亚的数学家，曾在

1923年写了一些关于火箭

和宇宙飞船的作品，这些作品与齐奥尔科夫斯基和戈达德毫无关

系。德国的研究开始于

1935年，终于发展出

V-2火箭。在火箭

专家冯·布劳恩（第二次世界大战之后，他把他的才能交给了美国

来支配）的指导下，1942年发射了第一枚真正的火箭飞弹。V-2

在

1944年投入战场。尽管总共发射了

4 300枚，并且有

1 230枚

击中伦敦，但已无法使纳粹获得这场战争的胜利。冯·布劳恩的火

箭杀死了

2 511名英国人，重伤

5 869人。

1945年

8月

10日，几乎就在第二次世界大战结束的同一天，

正好在戈达德最后看到他的火花烧成熊熊火焰的时候，他死了。

由于受到

V-2成功的刺激，美国和苏联都全力网罗德国的火箭

专家投入火箭的研究。

起初，美国用掳获的

V-2火箭研究高层大气，到

1952年，这

些库存火箭用完了。而在那时，美国和苏联都已经建造了更大更

先进的火箭助推器。火箭技术在继续发展。

探测月球

一个新纪元开始了！1957年

10月

4日（在纪念齐奥尔科夫

第三章 太阳系

第三章 太阳系

斯基百年诞辰的那个月内）苏联把第一颗人造卫星（卫星

1号）送

入轨道。卫星

1号以椭圆轨道绕地球运行，在近地点时，位于地球

表面上方

251公里（156英里），或者说距离地球中心

6 600公里

（4 100英里）；在远地点时，则远离地球

900公里（560英里）。椭

圆轨道有点像公园中游玩用的滑行铁道场。从远地点到近地点的

运行中，我们可以说人造卫星是滑下坡，因而失去引力势，速度增

加，使人造卫星在近地点时能以最高速度再度开始上坡，就像滑行

铁道的作用一样。在上坡时，人造卫星速度降低，并且在远地点达

到最低速度，然后再次下滑。

卫星

1号在近地点通过稀疏的高层大气。那里的空气阻力虽

然很小，却足以使人造地球卫星每次旅行的速度略有降低。每次

绕行都无法达到上一次远地点的高度。渐渐地，它像螺旋一般向

内行进。最后，因失去能量大多，被地球的强大拉力拉进稠密的大

气，而给空气的摩擦燃烧掉。

人造卫星的轨道以这种方式衰退的速度取决于人造卫星的质

量、形状和所通过的空气密度。因此，我们可以计算出那个高度的

大气密度。人造卫星使我们首次能够直接测量高层大气的密度。

结果证明高层大气的密度比想象的要高，但是，举例来说，在

240

公里的高度，大气密度仍然只有海平面的

10-7，在

360公里的高

度则只有海平面的

10-9。

然而这些十分稀薄的空气却不可忽视，即使在

1 600公里的

高空，大气密度只有海平面的

10-14，但这个密度却是外层空间的

10亿倍。地球的大气层向外扩散得非常远。

在这个领域，苏联并未独占下去，在不到

4个月的时间里，美

国也加入进来。1958年

1月

30日，第一颗美国人造卫星探险者

1

号送入了轨道。

人造卫星一被送入地球轨道，人们的眼睛就更热切地转向月

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球。诚然，月球已经失去了一部分魅力，因为虽然人们认识到它是

一个世界，而不仅仅是天空中的一个发光体，但它己不再是早些时

候人们所想象的那个世界了。

在伽利略的望远镜出现之前，人们总是认为，如果天体是一个

世界的话，必然会充满生物，甚至会有像人类一样聪明的生物。早

期的科幻小说对月球作了这样的假设，以后的科幻小说也是如此，

直到

20世纪。

1835年，一位名叫洛克的英国作家为《纽约太阳报》撰写了

一系列的文章，主要是描述对月球表面的严肃的科学研究，说在月

球表面发现了许多种生物。这些描述非常详细，很快就为许多人所

深信。

然而在伽利略用他的望远镜观察月球后不久，即发现月球上

显然不会有生命存在。月球表面从来不曾被云或雾遮掩过，明暗

两半球间的分界线总是那么清晰，因而没有可以察觉到的曙暮光。

月球表面暗色的“海”，伽利略曾以为是一片片的水，后来发现其上

散布着一群小的环形山，充其量这些“海”只是相对平坦的沙地而

已。事情很快就清楚了，月球并不含任何水及空气，因此没有生

命。

然而，这样匆匆地下结论或许太草率了。人们始终看不到的

月球背面，其情况又是怎样的呢？会不会在背面有少许的水分，虽

然不能养活大的生物，但却足以养活类似细菌之类的东西呢？或

者，如果根本没有生命，会不会在土壤中有一些能够表示一种缓慢

而可能夭折了的向着生命演化的化学物质呢？即使这些都没有，

对月球仍有一些与生命无关的问题需要回答。月球是在哪里形成

的？它的矿物结构如何？它有多大年龄？

所以，在卫星

1号发射之后不久，这项新技术就开始用来探测

月球。第一枚成功的月球探测器，即第一颗近距离通过月球的人

第三章 太阳系

第三章 太阳系

造卫星，在

1959年

1月

2日由苏联发射升空。它就是月球

1号，

第一个环绕太阳运行的人造物。不到两个月，美国也取得了同样

的成就。

1959年

9月

12日，苏联发射了月球

2号，目的是让它击中月

球。这是人类有史以来第一次把人造物降落在另一个世界的表

面。接着一个月后，苏联人造卫星月球

3号在月球上方滑行，并且

将电视摄影机朝向我们在地球上永远看不到的月球背面，从月球

表面上方

64 000公里之处传送回来

40分钟月球背面的图像。画

面模糊不清而且质量很差，不过显示了一些有趣的东西。月球的

背面几乎没有正面那样明显的“海”。为什么会有这种不对称还不

大清楚。不过根据科学家的推测，“海”的形成在月球历史上可能

相当晚，这个时候月球已经永远以同一面向着地球，而大流星受地

球重力的影响，偏向月球朝着地球的那一面，造成了月球上的

“海”。

但是探测月球只是刚刚开始。1964年，美国发射了一枚月球

探测器徘徊者

7号，目的是撞击月球表面，并在接近月球时拍摄照

片。1964年

7月

31日，它圆满地完成了任务，在一处现在叫做已

知海的地方拍了

4 316张照片。1965年初，徘徊者

8号和徘徊者

9号取得了更大的成功。这些月球探测器查明，月球表面非常坚

硬，并不像某些天文学家所猜测的那样，上面覆盖着一层厚灰尘。

这些探测器还表明，即使在望远镜中看起来非常平坦的地方，实际

上也布满环形山，这些环形山太小，在地球上无法看到。

苏联的探测器月球

9号

1966年

2月

3日成功地完成了一次

不造成任何破坏的软着陆。

1966年

4月

3日，苏联将月球

10号

送入每

3小时绕月球一周的轨道。它测量了月球表面的放射性，

图像表明，月球表面的岩石和地球海底下的玄武岩相似。

美国的火箭专家以更为精巧的火箭技术沿着这个开端前进。

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1966年

6月

1日，美国的探测者

1号在月球上首次软着陆。

1967年

9月，探测者

5号在地球上的无线电遥控下处理和分析了

月球上的土壤，证明的确类似玄武岩，而且含有可能是出自流星的

铁的微粒。

1966年

8月

10日，美国发射了第一枚月球轨道环行器。这

枚月球轨道环行器对月球的各个部分都作了详细的拍照，使人们

非常详尽地了解到月球表面各个地方（包括地球上永远看不到的

那一面）的特征。此外，还拍摄了一些令人吃惊的从月球上所看到

的地球的照片。

顺便说一下，月面环形山过去是以天文学家和其他伟人的名

字来命名的。因为大部分的名字都是由意大利天文学家里乔利

1650年左右决定的，所以较大的环形山以希腊天文学家亚里士多

德、阿基米得及托勒玫和老天文学家哥白尼、第谷和开普勒命名。

由月球

3号首先揭示出来的月球背面则提供了一些新的命名

机会。其中一些注目的特征都被俄国人抢先占有，这也是他们的

权利。他们不仅以齐奥尔科夫斯基这位伟大的空间旅行的预言家

来命名，而且还以

18世纪后期的两名化学家罗蒙诺索夫和波波夫

来命名。他们也用环形山来表彰西方的名人，如麦克斯韦、赫兹、

爱迪生、巴斯德和居里夫妇，这些人都在本书中提到过。另外，在

月球背面还有一个非常相称的名字，就是法国科幻小说先驱作家

凡尔纳。

1970年，人们对月球的另一面已经了解得非常清楚，所以能

够对其特征系统地加以命名。在美国天文学家门泽尔的领导下，

一个国际组织确定了数以百计的名字来纪念过去以各种方式对科

学发展作出贡献的伟人。非常突出的环形山分给了诸如门捷列夫

（第一个研究出元素周期表的人，我将在第六章中讨论他）和加

加林（第一个进入绕地球轨道运行的人，后来在一次飞机失事中死

第三章 太阳系

第三章 太阳系

亡）那样的俄罗斯人。另一些突出特征用来纪念荷兰天文学家赫

茨普龙、法国数学家伽罗瓦、意大利物理学家费密、美国数学家维

纳和英国物理学家科克罗夫特。在一个限定的区域内，我们可以

找到能斯脱、伦琴、洛伦兹、莫塞莱、爱因斯但、玻尔和道尔顿，所有

这些人在发展原子理论和亚原子结构方面都起了非常重要的作

用。

由于对科学著作和科幻小说的喜好，门泽尔决定将几个环形

山分配给一些人，他们在正统科学把空间飞行视为妄想而不予理

睬的时候，却帮助激发起整整一代人对空间飞行的热情。为此有

一个环形山被用来纪念根斯巴克，他出版了美国第一本全部登载

科幻小说的杂志；另一个环形山则用来纪念威利·莱，在所有作家

当中，他是最不屈不挠地精确描述火箭的潜力及其成就的人。

宇航员和月球

然而不载人的月球探险，无论多么地精彩和成功，也还是不够

的。难道人就不能和火箭做伴吗？实际上，在卫星

1号发射后，仅

用了３年半的时间，人们就朝着这个方向迈出了第一步。

1961年

4月

12日，苏联宇航员加加林被射入轨道而且安全

返回地面。3个月后的

8月

6日，另一位苏联宇航员季托夫绕地

球

17圈才着陆，自由飞行了

24小时。

1962年的

2月

20日，美国

把它的第一位宇航员格伦送入轨道，绕地球

3圈。此后，许多人离

开过地球，有的甚至留在空间达数月之久。1963年

6月

16日，苏

联的一位女宇航员捷列什科娃被射入轨道，自由飞行

71小时，共

绕地球

17圈。1983年，赖德成为美国第一位被送入轨道的女宇

航员。

火箭也曾一次载

2～3人离开地球。第一次是在

1964年

10

月

12日，载有苏联宇航员科马罗夫、费奥克季斯托夫和叶哥罗夫。

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美国则在

1965年

3月

23日首次发射载有多人的火箭，上有格里

索姆和

J. W.扬。

1965年

3月

18日，苏联宇航员列昂诺夫成了第一位在空间

离开宇宙飞船的人。1965年

6月

3日，美国航天员怀特也做了空

间行走。

虽然在

1965年之前苏联取得了大部分的空间“第一”，但是美

国却后来居上。载人航天器在空间进行演习、会合和对接，并且开

始飞向越来越远的地方。

然而，在航天计划的进行中也有灾难发生。

1967年

1月，三

位美国宇航员格里索姆、怀特和查菲在一次例行测试中因航天舱

起火而丧生于地面。之后

1967年

4月

23日，科马罗夫在返回地

面时因降落伞缠结而殉难，他是第一位在航天飞行中死亡的人。

由于这些灾难，美国重新设计了航天舱，使之更为安全，因而

推迟了使用三人宇宙飞船登月的阿波罗计划，但是这个计划并没

有被放弃。第一艘载人的阿波罗宇宙飞船阿波罗

7号，于

1968年

10月

11日发射，载有

3名宇航员，以拉希为指令长，阿波罗

8号

于

1968年

12月

21日发射，在博尔曼的指挥下接近月球，以相当

近的距离环绕月球。

1969年

5月

18日发射的阿波罗

10号也接

近月球，并把一枚登月舱送到离月球表面

14.5公里（

9英里）的地

方。

终于，

1969年

7月

16日，阿波罗

11号在

N. A. 阿姆斯特朗的

指挥下发射了。7月

20日，阿姆斯特朗成为第一位站在另一个世

界土地上的人。

从那次以后又发射了

6艘阿波罗宇宙飞船，其中有

5艘——

12、14、15、16、17号——非常成功地完成了它们的任务。阿波罗

13号因在空间发生了故障被迫返回，没有在月球着陆，不过它安

全地返回了地球，无人丧生。

第三章 太阳系

第三章 太阳系

苏联的航天计划中还没有包括载人到月球的飞行，但是

1970

年

9月

12日，往月球上发射了一艘不载人的宇宙飞船。这艘飞船

在月球上安全地软着陆，采集了一些土壤和岩石的标本，然后把这

些标本平安地带回了地球。在这之后，苏联一艘自动宇宙飞船在

月球上着陆，从地球上遥控着在月球上移动了几个月，不断地把资

料送回地球。

从对月岩（载人的或不载人的登月所带回的）的研究中，得到

一项惹人注目的结果，就是月球似乎完全是死的。月球表面好像

一直曝露在高热之下，因为上面覆盖着一层像玻璃一样的东西，看

来可能是表面岩石被熔化的结果。没有任何水的痕迹，也没有迹

象表明月面下面可能存在水或过去可能存在水。那里没有任何生

命，甚至没有任何可能与生命有关的化学物质的迹象。

从

1971年

12月之后，再没有任何登月活动，目前也没有任何

登月的计划。然而毫无疑问，人类的技术能够把人和机器在任何

需要的时候放到月球表面，同时，航天计划在其他方面仍在进行。

金星和水星

在环绕太阳的行星中，有两个比地球更靠近太阳，它们就是金

星和水星。地球至太阳的平均距离是

1.5×108公里，金星是

1.08×108公里，而水星是

0.58×108公里。

因此我们总是在太阳的附近看到金星和水星。从地球上看，

金星离太阳不会超过

47°，而水星离大阳永远不会超过

28°。当金

星或水星在太阳东边的时候，在傍晚日落后就出现在西方的天空，

并在不久之后也落入地平线，因此被称为昏星。

当金星或水星位于其轨道的另一边，也就是在太阳西边的时

候，则出现于黎明前的东方，而在太阳升起后即消失在太阳的光辉

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中，因而被称为晨星。

起初，人们似乎自然而然地认为，两颗昏星和两颗晨星是四颗

不同的星。但是，从观察中逐渐发现，当其中一颗昏星出现在天空

时，相对的那颗晨星从不出现；反之亦然。人们开始觉得似乎只有

两颗行星，每一颗都穿梭般地在太阳的两边来回移动，轮流扮演昏

星和晨星的角色。第一位发表这个想法的是公元前６世纪的希腊

人毕达哥拉斯，而他的这个想法可能是从巴比伦人那里学来的。

在这两颗行星中，观察金星比观察水星要容易得多。首先是

它离地球比较近。当地球和金星在太阳的同一侧的时候，它们的

距离可以近到只有

4 023万公里（

2 500万英里），因此金星到地球

的距离仅是月球的

100倍左右。除了月球之外，没有一个大的天

体比金星更接近我们。当水星和地球位于太阳同一侧时，两者之

间的平均距离是

9 200万公里（5 700万英里）。

金星不仅比较靠近地球（至少，当两者在太阳的同一侧时），而

且也是一个比较大的天体，能够接受比较多的阳光。金星的直径

有

1 2100公里，而水星只有

4 880公里。此外，金星有云，可以比

水星反射更多的阳光；水星则没有大气，只能像月球一样以光秃的

岩石来反射光。

结果金星的最大亮度是-4.22星等，这个亮度是天空中最亮的

恒星——天狼星的

12.6倍，除了太阳和月亮之外，的确是天上最亮

的天体了。金星是如此之亮，在没有月亮的黑夜里，它能够投射出

可以觉察到的阴影。水星的亮度只有-1.2星等，和天狼星差不多，

但仍然只有金星最亮时的

1/17。

因为水星离太阳很近，所以只有在天空尚有暮光或黎明的时

候在地平线附近才能看到。因此，尽管它很亮，还是很难观察到。

人们常说，哥白尼本人从未看见过水星。

金星和水星总是在太阳附近被发现，而且从太阳的一边到另

第三章 太阳系

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一边来回移动；这些事实自然地会使一些人猜想，这两颗行星绕太

阳而不是绕地球运转。这个想法是由希腊天文学家赫拉克利德斯

在公元前

350年首先提出的，但没有被人们接受，直到

19个世纪

以后，哥白尼再度提出这个构想，不仅水星和金星，而且所有的行

星都绕太阳运行。

如果哥白尼是正确的，如果金星是一个不透光的天体，只是像

月球那样靠反射太阳光而发亮的话，那么，从地球上观察，金星应

该和月亮一样有位相变化。1610年

12月

11日，伽利略从他的望

远镜中观察金星，看到它的球面只有部分发亮。他不时地观察它，

发现的确有和月亮一样的位相变化。这对以地球为中心的行星系

统是最后的致命一击，因为这个系统无法解释实际观察到的金星

的位相变化。最后天文学家也观察到了水星的位相变化。

测量金星和水星

金星和水星都很难用望远镜进行观察。由于水星离太阳那么

近，体积那么小，离地球又那么遥远，所以很难辨认出它表面上的

标志。然而意大利天文学家斯基帕雷利却一直在仔细地研究那些

标志。根据那些标志随时间变化的方式，

1889年他宣称，水星以

88天的周期绕它的轴自转。

这个说法似乎有道理，因为水星绕太阳公转的周期也是

88

天。水星离太阳很近，足以被太阳的引力锁定，如同月球被地球锁

定一样，使水星自转和公转的周期相同。

虽然金星比较大，而且离地球比较近，但是它更难观察，因为

它永久地被一层厚而不散的云层所遮掩，呈现给所有观察家的是

一片没有特征的白茫茫的景象。没有人知道它的自转周期，虽然

有些人认为，金星可能也被太阳的引力锁定，所以自转周期和公转

周期相同，都是

224.7天。

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由于运用雷达技术的发展，使这种状况有了改变。我们可以

对物体发射微波束，然后再来测定被物体反射回来的微波束。在

第二次世界大战期间，雷达被用来侦察飞机，而天体也能反射微波

束。

举例来说，1946年，匈牙利科学家巴伊向月球发射的微波束

被反射回来，他收到了回波。

然而，月球是一个比较容易达到的目标。

1961年，三个不同

的美国小组、一个英国小组和一个苏联小组，都成功地发射微波束

到金星并收到回波。当时人们已经确知，这些波束以光速行进。

从波束往返金星所用的时间，可以计算出金星的距离，这比到当时

为止任何方式的测量都要准确。利用这种测量方式，太阳系中所

有其他的距离都可以重新计算，因为当时这些行星的相对位置已

经非常清楚。

此外，所有的天体只要不真正是（实际上没有任何天体是）绝

对零度，就会持续地发射微波束，而根据波束的波长展开度便可以

计算出发射天体的温度。

1962年，科学家探测到由水星的黑暗面（即未被太阳照射的

那一部分）发射出来的微波。如果水星的自转周期真是

88天，那

么这个行星有一面会始终朝着太阳，因而会非常地热，而另一面则

会永远背着太阳，因而非常地冷。然而，从它发射的微波的性质来

看，水星黑暗面的温度比人们预想的高很多，因此，它必然在某些

时候得到阳光。

当一束微波从一个旋转的天体上反射回来时，由于天体表面

的运动，这一波束在反射中发生某些变化，而这种变化的性质使我

们可以计算出运动表面的速度。1965年，从事微波束反射工作的

两位美国电气工程师戴斯和佩滕吉尔发现，水星表面的转动比预

想的要快：水星以

59天的周期自转，所以水星表面的每一个部分

第三章 太阳系

第三章 太阳系

都会在某些时候曝露于阳光之下。

精确的自转周期被证实是

58.65天，正好是公转周期

88天的

2/3。这也表明它的确己被太阳的引力锁定，虽然比自转和公转周

期相等的最终情况还差一点儿。

金星探测器

金星还有更多令人惊奇的事情。由于和地球差不多大（可以

比较一下它们的直径，金星的直径是

12 100公里，地球的直径是

12 756公里），所以它常被视为地球的“孪生姊妹”。金星距离太阳

相当近，但有一层云起保护作用，使它可能不至于太热。人们猜

测，这一层云是由水滴组成的，因此金星本身有一个海洋，或许比

地球的海洋还要宽广，因而可能有丰富的海洋生物。很多科幻小

说（包括我写的一些）都提到这个水源充足和富有生命的行星。

1956年传来了第一个惊人的消息。以

C. H.迈耶为首的美国天

文学家小组，在研究由金星黑暗面发射的微波后得出结论，那一

面的温度必然远远超过水的沸点。金星必定非常热，因此辐射非

常高。

这个结论几乎无法使人相信，似乎需要一种比微弱的微波束

更能打动人心的东西。既然能把火箭成功地发射到月球的附近，

那么向各个行星发射探测器看来也是合乎逻辑的，

1962年

8月

27日，美国成功地发射了第一枚金星探测器水

手

2号，上面载有能够探测和分析金星辐射的微波并把结果经由

几千万公里的真空传回地球的仪器。

1962年

12月

14日，水手

2号通过了近

35 000公里（

22 000

英里）厚的金星云层

①。一切怀疑都消失了。从两极到赤道，从黑暗

面到日照面，整个金星的表面都是地狱般的炎热。金星表面的温

度约有

475℃，高过锡和铅的熔点以及水银的沸点。

①金星没有这么厚的云层，似为翻译错误。资料载当日水手

2号从距

金星

34 800公里处飞过，探测了金星表面的温度。——ken777注

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1962年的成就不止于此。微波能够穿透云层。向金星发射

的微波直接穿透云层到达金星的固体表面，然后反射回来。虽然

人类靠光波看不见金星表面，然而这微波能够“看见”。1962年，

从反射波束的畸变中，卡彭特和

R. M.戈德斯坦发现，金星的自转

周期大约是

250个地球日。美国的物理学家夏皮罗后来的分析证

明是

243.09天。这样慢的自转并不是太阳引力锁定的结果，因为

它的公转周期是

224.7天。金星绕轴自转要比绕太阳公转慢。

此外，金星以“错误的方向”绕它的轴自转。如果想象从地球

北极正上方高处的某一点观看的话，一般行星的旋转方向都是逆

时针，但金星却是顺时针。到目前为止，对这种逆行仍然没有适当

的解释。

每次金星最接近地球（下合）时，都正好自上次接近以后绕自

己的轴逆转

5周，因此，在最接近时，金星总是以同一面对着地球。

显然，金星和地球被引力锁在了一起，但是地球似乎太小了，与金

星之间的距离又是那么远，因而不会对金星有什么影响。

水手

2号以后，美国和苏联又都发射了金星探测器。苏联设

计的探测器可以穿透金星的大气层并用降落伞软着陆，但因金星

的环境非常严酷，苏联的一系列金星号探测器进入金星大气层后

均未存留多久，不过他们的确得到了一些有关金星大气的资料。

金星的大气浓密得惊人，大约是地球大气的

90倍，主要由二

氧化碳组成，这种气体在地球大气中占很小的一部分。金星的大

气有

96.6%的二氧化碳和

3.2%的氮。（然而，尽管金星的大气那

样浓密，它的总含氮量却只有地球的

3倍左右。）

1978年

5月

20日，美国发射了金星先驱者号，金星先驱者

号于

1978年

12月

4日到达金星，进入环绕金星的轨道，并以相当

近的距离通过金星的两极。随后，许多探测器离开金星先驱者号

进入金星的大气，进一步确认并扩展了苏联金星号探测器所收集

第三章 太阳系

第三章 太阳系

的资料。

金星上的主云层大约有

3公里厚，位于金星表面上方约

50公

里。云层由含大量硫的水组成，而在主云层的上方是一层具有腐

蚀性的硫酸雾。

云层下面到金星表面上方

32公里处，其间是霾层，而再往下，

金星的大气似乎完全清澈透明。低层大气好像很稳定，没有风暴

或任何天气的变化，到处都是难以置信的稳定的热。那里只有微

风，但是以金星的空气密度来说，即使是微风也有相当于地球上飓

风的力量。总之，人们很难想出另一个比地球的“孪生姊妹”更为

糟糕的世界。

到达金星的阳光几乎全部被云层反射或吸收，但还是有

3%

到达清澈的低层大气，而可能有

2.5%到达金星地面。考虑到金星

离太阳比较近，可以首先得到比较明亮的阳光，因此，虽然有厚

而永久的云层，金星表面得到的阳光仍相当于地球的

1/6。和地球

比起来，金星可能比较暗，但是，如果有办法在那里生存下来的话，

我们仍能在金星表面上非常清楚地观看。

实际上，有一枚苏联探测器在金星表面登陆后拍摄了金星表

面的照片。这些照片显示了金星表面散布的石头，边缘锐利，表明

没有受到严重的腐蚀。

如果能够像用眼睛或照片探测和分析光波那样，用仪器来探

测和分析反射回来的微波束，我们就可以利用发射到金星表面后

反射回来的微波束“看见”金星的表面，就好像可以利用光波来看

金星一样。微波比光波长得多，因而“看见”的东西更模糊，但总比

什么也看不到要强。金星先驱者号利用微波绘出了金星表面的地

形图。

金星大部分的表面看来像地球的陆地，而不像地球的海底。

不过地球的陆地只占总面积的

3/10，其余

7/10为广大的海面；而

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金星的超级大陆却占了总面积的

5/6，剩下的

1/6则是没有水的

低地。

覆盖金星的超级大陆似乎相当平坦，有一些环形山的迹象，但

是不多；浓密的大气可能早已把它们腐蚀光了。不过在超级大陆

上也有些部分凸起，其中有两处面积很大。

在金星上相当于地球北极的地方，是一片和美国差不多大的

大高原，称为伊什塔尔高地。在伊什塔尔高地的东部是麦克斯韦

山脉，有些山峰比高原外的一般平面高出

11.7公里（7.3英里）。

这些山峰比地球上的任何山峰都要高。

在金星的赤道附近，另有一片更大的高原，叫做阿佛洛狄特高

地。它的山峰没有伊什塔尔高地上的高。

很难说金星上有没有真火山，但有两座可能是火山，至少是死

火山；其中瑞亚·蒙斯山延伸的地区有美国的新墨西哥州那么大。

水星探测器

水星的表面没有像金星那样的问题。水星没有大气，没有云

层，只要送一枚水星探测器上去就行了。

1973年

11月

3日，水手

10号发射了。它在

1974年

2月

5日

近距离地通过金星，从金星附近传回有用的资料，然后继续朝水星

前进。

1974年

3月

29日，水手

10号从离水星表面

700公里（

435英

里）的地方通过，然后进入周期为

176天的公转轨道，环绕太阳运

行，其周期正好是两个水星年，这使它每次回到水星时都是在以

前的同一地点，因为水手

10号每绕太阳一圈，水星正好绕两圈。

1974年

9月

21日，水手

10号第二次经过水星；1975年

3月

6日，

它第三次从水星上空

330公里（

203英里）处经过。此时，水手

10

号耗尽了使它保持稳定位置的气体，因此无法再对这颗行星作进

第三章 太阳系

第三章 太阳系

一步研究了。

在三次经过水星当中，水手

10号对水星表面

3/8的地区拍摄

了照片，证明了水星的地形看上去与月球表面很相似，到处都是环

形山，最大的一个直径达

200公里（125英里）。然而，水星上很少

有“海”；最大的一块环形山比较少的地方宽约

1 400公里（

870英

里），称为卡路里（“热”）。因为当水星在近日点时，它几乎直接暴露

在太阳照射之下。

水星也有很长的峭壁，大约有

2.5公里高，160公里长。

火 星

火星是从太阳数过来的第四颗行星，就在地球的外侧。火星

离太阳的平均距离是

2.28×108公里。当地球和火星在太阳的同

一侧时，这两颗行星可以彼此接近到平均

8 050万公里（

5 000万

英里）。由于火星的轨道偏心率较大，有时它和地球相离只有

4 830万公里（

3 000万英里）。这样的近距离接近（大冲）每

32年

发生一次。

如果我们以恒星为背景来观察，会发现太阳和月球从西方到

东方位置的变化多少是稳定的，而行星的运动要复杂得多。在大

部分的时间里，相对于恒星而言，它们总是夜复一夜地自西向东运

行，但在某些时候，各个行星运行减速，最后完全停止，然后开始从

东向西倒着运行。但这种逆行始终不如顺行，因此，总的来说每个

行星还是自西向东运行，最终在天空中绕一整圈。逆行最大最显

著的就是火星。

为什么会这样呢？以前以地球为中心的行星系统很难解释这

种逆行现象，但以太阳为中心的哥白尼系统则很容易解释。地球

以一个比火星更近的轨道环绕太阳，所以绕一圈所要走的距离比

最新科学指南（上）

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较短。当地球和火星在太阳的同一侧时，地球赶上并超过火星，使

火星看起来好像在往后走。只要把地球的轨道与任何其他行星的

轨道加以比较，就可以解释所有的逆行现象，而这正是迫使人们相

信以太阳为中心的行星系统的一个重要因素。

火星比地球离太阳远，所以得到的阳光不大强。火星是颗小

的行星，直径只有

6 790公里（比地球直径的一半略多一点），有一

层非常稀薄的大气，因此把所得到的阳光反射出来的不太多。另

一方面，它有一个比金星有利的条件。当金星最靠近地球时，介于

我们和太阳之间，因此我们只能看到它的黑暗面。然而，当火星最

接近地球时，是在我们的外侧，因为它距离太阳比较远，因此，我们

看到的是火星明亮的一面，这就使它的亮度大为增加。在最亮的

时候，火星可以达到－2.8星等，此时它是天空中第四个最亮度的

天体，仅次于太阳、月亮和金星。然而，这种亮度每隔

32年当火星

大冲时才能达到。当它所在的那一部分轨道是在和我们相对的太

阳的另一侧时，由于距离太远，使它只能像一颗具有适当亮度的恒

星那么亮。

从

1580年以来，丹麦天文学家第谷为了研究火星的运动并对

它未来的位置作出更准确的估计，于是对火星进行了非常仔细的

观察（他没有使用望远镜，因为当时尚未发明望远镜）。第谷死后，

他的助手——德国天文学家开普勒——利用这些观测结果计算出

了火星的轨道。开普勒发现，他必须抛弃两千多年来天文学家一

直坚持的圆形轨道的观念。1609年，他证明行星必须在椭圆轨道

上运行。开普勒的行星系统到今天为止仍然适用，而且毫无疑问，

其基本精神将永远适用。

1673年，火星对探测太阳系作出了另一项重要贡献。当时

J. D.卡西尼测定了火星的视差，使人们第一次知道了行星之间的

真实距离。

第三章 太阳系

第三章 太阳系

由于有了望远镜，火星不再只是一个光点。惠更斯在

1659年

观察到一个黑暗的三角形标志，他命名为大流沙地带。通过追踪

这个标志，他能够证明，火星以大约

24.5小时的周期绕它的轴自

转（如今的数据是

24.623小时）。

因为比地球离太阳更远，火星有一个比较长的轨道，在太阳引

力的吸引下运行得比较慢。它需要

668.61个火星日才有公转一

周，相当于

687个地球日（1.88个地球年）。

火星是我们所知道的惟一一颗其自转周期和地球这么接近的

行星。不仅如此，

1781年，W.赫歇耳还证明，火星自转轴的倾斜

方式也和地球非常相似。地球的自转轴比垂直轴

①倾斜了

23.45°，所以当北极倾向太阳时，北半球是春天和夏天，当北极倾

离太阳时，北半球是秋天和冬天。南半球的季节则正好相反，因为

当北极倾向太阳时，南极倾离太阳；反之亦然。

火星的自转轴比垂直轴倾斜了

25.17°，正如

W.赫歇耳通过

仔细观察所证明的那样，火星上的标志移动的方向与火星自转的

方向相同。因此，火星和地球一样有四季的变化，只是它的每一个

季节都是地球的两倍长，当然，也比较冷。

1784年发现了另一个相似点，

W.赫歇耳注意到，火星的北极

和南极都有冰冠。总的来说，火星比我们在天空中看到的其他任

何一个世界都更像地球。跟月球和水星不同，火星有大气（

W.赫

歇耳首先观察到的），但不像金星大气那样厚，也并不充满了云。

火星和地球的相似点并没有延伸到卫星，地球有一个大卫

星，就是月球，但是水星和金星却根本没有卫星。火星起初看来也

没有卫星，至少在两个半世纪的望远镜观测中没有发现任何卫星。

然而

1877年，当火星即将大冲时，美国天文学家

A.霍尔决定

①指垂直黄道面的轴，即黄极轴。——译注

最新科学指南（上）

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在火星附近寻找卫星的踪影。由于从未发现过，所以他以为，如果

存在卫星的话，一定非常小，非常靠近火星，并很可能被火星的光

芒所淹没。

他夜复一夜地观察着，到了

1877年

8月

11日，他决定放弃。

他的妻子斯蒂克尼鼓励他再多试一夜，结果在那多干的一夜里，他

真的发现了两颗靠近火星的小卫星。他给它们分别命名为福玻斯

和得伊摩斯

①，也就是火卫一和火卫二。

两个卫星中，里面的是火卫一，距离火星中心只有

9 350公里

（5 810英里），换句话说，离火星表面只有

6 000公里（3 700英里）。

它每

7.65小时绕轨道一圈，不到火星自转周期的

1/3，所以当火

卫一快速前进时，会不断地超过火星表面。因此，如果从火星上

看，火卫一是西升东落。外面的是火卫二，距离火星中心

23 500

公里（

14 600英里），大约

30.3小时绕火星公转一圈。

由于这两个卫星太小，即使用最好的望远镜观察，也不过是个

光点而已，所以在发现它们之后的

1个世纪中，除了它们至火星的

距离和公转周期外，其余的一无所知。从卫星的距离和运动状况，

很容易算出火星引力场的强度，从而算出它的质量。结果表明火

星的质量差不多正好是地球质量的

1/10，而它的表面重力只有地

球的

3/8。一个在地球上重

80公斤的人，到火星上将重

30公斤。

然而，火星显然是一个比月球大的世界。火星的质量是月球

的

8.7倍，表面重力是

2.25倍。粗略地说，在这些方面，火星大约

是介于月球和地球之间。（金星和水星因为没有卫星，所以无法这

①福玻斯和得伊摩斯是罗马神话中战神马耳斯（即希腊神话中的阿瑞

斯）的两个儿子。火星的西方名称就叫马耳斯，故有此命名。今我国对各行

星的卫星有统一的定名法则，将福玻斯和得伊摩斯定名为火卫一和火卫

二。——译注

第三章 太阳系

第三章 太阳系

样容易地决定它们的质量。我们现在知道，金星的质量是地球的

4/5，水星是地球的

1/18。水星的质量大约只有火星的一半，因

此，水星是

8大行星中最小的

1个。）

知道了一个星球的大小和质量，我们可以容易地算出它的密

度。水星、金星和地球的密度都超过水的

5倍，分别是

5.48、5.25

和

5.52。如果这些星球都是由岩石构成的话，这些值比预估值要

高，因此人们认为每个行星都含有

1个金属核心（这个问题将在下

一章中详细论述）。

月球的密度是水的

3.34倍，因此可能完全都是由岩石物质构

成的。火星居中，它的密度是水的

3.93倍，所以可能有一个非常

小的金属核心。

绘制火星图

天文学家想绘制火星图，描绘出火星表面上斑点的明暗图样，

这是很自然的事情。对于月球来说，这项工作可以做得很好，但是

对于火星就难办了。火星即使离我们最近时，与地球的距离也是

月球的

150倍，而且还有一层稀薄而暗淡的大气，这是月球所没有

的。

然而，1830年，曾经详细绘制过月球图的德国天文学家比尔

将注意力转移到火星。他绘制了第一张显示明暗图样的火星图。

他假定黑暗区域是水，而明亮区域是陆地。问题是其他的天文学

家也自己绘制火星图，各个天文学家所绘出来的图各不相同。

最成功的火星图绘制者是斯基帕雷利（就是后来将水星的自

转周期误认为

88天的那个人）。1877年，正当火星大冲，使霍尔

得以发现它的两颗卫星时，斯基帕雷利绘制了一张图，它看上去与

以前绘制的任何图都完全不一样，却得到了天文学家的认可。随

着望远镜的不断改进，现在人们都看到了当年斯基帕雷利所看到

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的景象，而这张新火星图持续了约一个世纪。斯基帕雷利分别以

古希腊、罗马和埃及地理中的名字为火星上不同的地区命名。

在观察火星时，斯基帕雷利注意到，在大的黑暗区域之间，有

细细的暗线连接，就好像是海峡连接着两个海一样。斯基帕雷利

使用了一个意大利名词，把这些暗线叫做海峡，这个词译成英语时

被误译成运河，使意思完全变了；海峡是一种自然现象，运河则是

人造的。

斯基帕雷利的观察马上引起人们对火星的新兴趣。长久以

来，人们认为火星和地球十分相似，只是比地球小，引力场也比较

弱。火星可能未能保持住它的大部分大气和大部分水，因此可能

早已干涸了数百万年。火星上可能存在的任何智慧生物都必须战

胜干燥才能生存。

人们很容易遐想，火星上不仅可能有智慧生物，而且他们可能

有比我们还要先进的技术。火星人可能会开凿运河，从冰冠取水

到温和的赤道附近的农场。

其他天文学家开始探测运河，其中最热心的是美国的洛威尔。

他是一个大富翁，1894年在亚利桑纳州建立了一座私人天文台。

那里因为远离城市灯光，有数公里高洁净的沙漠空气，所以能见度

非常好。洛威尔在那里开始绘制一张火星图，详细程度远远超过

斯基帕雷利。最后，他绘出了

500多条运河，同时还写了几本书，

宣扬火星上有生命的想法。

1897年，英国科幻小说作家威尔斯在一份畅销杂志上刊登了

一部连载小说《星际战争》，进一步宣扬这种观点。很多人认为火

星上有生命是当然的事情。1938年

10月

30日，O.韦尔斯把《星

际战争》改编成了广播剧，假设火星人在新泽西州登陆。由于非常

逼真，以至有许多人以为这是真的新闻报导，而在恐惧中出逃。

尽管如此，许多天文学家都否认洛威尔的运河存在。他们看

第三章 太阳系

第三章 太阳系

不见那些运河。第一位描述太阳黑子极小期的蒙德也认为这些只

是眼睛的错觉。1913年，他立了几个圆环，再将一些模糊不清的

不规则斑点放入圆环中，然后叫一些小学生站在相当远的距离，远

到几乎很难看清圆圈里的东西。他要求学生们画下他们所看到的

东西，结果他们画的都是和洛威尔运河非常相似的直线。

此外，直接的观察似乎也减少了火星和地球的相似性。

1926

年，两位美国天文学家柯布伦茨和兰普兰德设法测量火星表面的

温度，发现比预期的要冷。白天当火星位于近日点的时候，有迹象

表明，其赤道可能相当温和，但是到了晚上，似乎到处都像南极大

陆最冷时那样冷。白天和夜晚的温差如此大，看来火星的大气比

想象的还要稀薄。

1947年，荷兰血统的美国天文学家柯伊伯分析了从火星射来

的光中的红外线部分，作出了火星大气主要是二氧化碳的结论。

他找不到氮、氧和水蒸气的痕迹。因此似乎不大可能形成任何像

地球上这样复杂的生物。然而，认为火星上有植被，甚至有火星运

河，这种信念曾经长期困扰过人们，迟迟不消。

火星探测器

火箭升入地球大气及外层空间之后，人们又燃起了解决这个

百年悬案的希望。

第一枚成功的火星探测器水手

4号，于

1964年

11月

28日发

射。1965年

7月

14日，水手

4号通过火星上空

9 660公里（

6 000

英里）处，在通过的时候，连续拍摄了

20张照片，并将之转变为无

线电信号，传送回地球，然后再转变成照片。这些照片显示出，火

星上只有环形山，没有任何运河的踪影。

当水手

4号通过火星背面时，在它消失之前，它的无线电信号

穿过火星的大气，表明火星的大气比原来人们想象的要稀薄；其密

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度不到地球的

1/100。

更精巧的火星探测器水手

6号和水手

7号分别于

1969年

2

月

24日及

3月

27日发射。这两枚探测器通过火星上空

3 200公

里（

2 000英里）处，一共发回

200张照片。火星表面的很多地方都

被拍了照，这些照片表明，火星表面上有些区域像月球一样布满了

环形山，有些区域则相当平坦，还有些区域非常地混乱。显然，火

星有一个极其复杂的地质发展过程。

然而，任何地方都没有运河的踪影，大气中至少有

95%的二

氧化碳，温度甚至比柯布伦茨和兰普兰德所估计的还要低。在火

星上存有智慧生物或任何复杂生物的一切希望似乎成了泡影。

但是仍然有很多工作要做。另一枚成功的火星探测器是

1971年

5月

30日发射的水手

9号。水手

9号于

1971年

11月

13

日抵达火星，先进入轨道绕火星运行，而不直接穿越大气。幸亏没

有直接通过，否则在它前往火星的半途中，将遇到一个行星般大小

的尘暴，几个月之内，除了一片霾之外，照片上根本不会看到任何

东西。在轨道上，探测器可以等待尘暴过去。到了

12月，火星的

大气明朗了，于是探测器展开工作。

水手

9号清楚地绘制出火星全图，就如同绘制月球全图一样；

于是，长达一个世纪的运河之谜终于被解开了。那里根本没有运

河！正如蒙德所坚持的那样，那些“被看到”的运河只是眼睛的错

觉而已。所有的东西都是干燥的，黑暗区域只不过是较暗的灰尘

粒子堆，和几年前美国天文学家萨根所说的一样。

火星的一半，主要是南半球，像月球一样布满了环形山。另一

半则似乎有一些因火山活动而填没了的环形山，还分布着一些大

山，它们很明显是火山（虽然可能是长期不活动的）。其中最大

的一座

1973年被命名为奥林匹斯火山。这座山比平均地面高出

24 000米，中央有一个宽达

64公里的巨大火山口，比地球上任何

第三章 太阳系

第三章 太阳系

一座火山都要大得多。

在火星表面上有一条裂缝，可能是造成运河错觉的原因。它

是一个很大的峡谷，大约长

3 000公里、宽

500公里、深

2公里，现

在被命名为水手峡。它是美国科罗拉多大峡谷的

9倍长、14倍宽

和

2倍深，可能是在

20亿年前由于火山作用而形成的。

在火星上也有一些斑纹蜿蜒曲折地绕过火星的表面，同时还

有分支，非常像干涸了的河床。火星会不会正处于一个冰河时期，

以至于所有的水都冻结成了冰而存于冰冠中和泥土下呢？在较近

的未来，会不会有一个时期情况变好，水以液体的形式出现而河水

再次流动呢？在较近的过去是否发生过这种情况呢？如果是这

样，会不会有非常简单的生物仍岌岌可危地存在于火星泥土之中

呢？

现在需要的是一次在火星上软着陆。1975年

8月

20日和

9

月

9日，美国分别发射了海盗

1号和海盗

2号。海盗

1号于

1976

年

6月

19日进入火星轨道并放下一枚着陆器，7月

20日成功地

降落在火星表面。几星期后，海盗

2号在偏北的位置也放下了一

枚着陆器。

在通过火星大气时，着陆器分析了火星大气，发现除了二氧化

碳之外，还有

2.7%的氮以及

1.6%的氩，也有一丁点儿氧。

在火星表面上，着陆器发现白天的最高温度是－7℃

（－20℉）。在火星上的任何地方，表面温度似乎从来没有可能达

到冰的熔点，这就是说，任何地方也不会有液体的水。正如金星太

热生命不能存在一样，火星太冷了，生命也不能存在。或者说，除

了最简单的生物外，至少对其他生物而言的确是太冷了。在最冷

的地方连二氧化碳都会冻结，而且在冰冠当中似乎至少有一部分

是冻结的二氧化碳。

着陆器发回火星表面的照片，并且分析它的土壤，结果发现，

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火星的土壤比地球的土壤富铁贫铝。大约有

80%的火星土壤是

富铁的粘土，其中的铁可能以褐铁矿的形式存在。这是一种铁的

化合物，红砖的颜色就是由它造成的。火星的红色使人联想到血，

所以引起早期人类的恐惧，其实两者毫无关系：火星只是一个生

锈的世界。

最重要的是，在着陆器上装备有小型化学实验室，能够测试土

壤，看看会不会产生反应，以了解是否有活的细胞存在。做了三种

不同的实验，却没有一个有明确的结果。看来生命只是在想象中

存在，无法得到真正的肯定。使科学家们对生命存在的说法感到

怀疑的是，土壤分析表明，就是有机化合物——这是与生命有关的化

合物类型——而言，没有可察觉的量。科学家们根本不打算相信

可能存在无机生命，这个问题必须等到更精密的着陆器降落在

火星上，或者是人类自己到达这个星球后，才会有解答。

①

火星的卫星

起初并没有打算让火星探测器对火星的小卫星做详细的研

究，但是当水手

9号在绕火星的轨道运行中发现因为尘暴而没有

照片可拍时，人们便将它的摄影机转向卫星。卫星的照片显示，它

们的轮廓并不规则。天体通常被认为是圆球，但只须当它们足够

大，因而有一个强大的引力场，能够把主要的不规则区域拉平时，

它们才会是圆球。事实上，每个卫星的轮廓看起来都有点像是烘

干的马铃薯，甚至连陨石坑都非常像马铃薯上的芽眼。

两个卫星中比较大的火卫一，直径变化是

19～27公里

（12～17）英里，而火卫二的直径变化是

10～16公里（

6～10英

里），它们简直就像绕火星飞行的两座山。不论是哪一个卫星，长

的直径总是朝着火星，所以两者都被火星的引力锁定，如同月球被

地球锁定一样。

①近年“火星探路者”、“奥德赛

”、“勇气”、“机遇”、“凤凰”号等探测

器抵达火星表面，仍未发现生命迹象，但可能有冰冻的水。——ken777注。

第三章 太阳系

第三章 太阳系

火卫一上最大的两个陨石坑被命名为霍尔和斯蒂克尼，以纪

念它们的发现者和他的妻子——那位鼓励他多观察一夜的女士。

火星二上最大的两个陨石坑则分别以法国讽刺作家伏尔泰和英国

讽剌作家斯威夫特的名字命名，因为他们两位都在自己的小说里

想象火星有两颗卫星。

木 星

木星，从太阳往外数第五颗行星，是行星系统中的巨人。它

的直径有

142 800公里，是地球的

11.2倍，质量则是地球的

318.4

倍。实际上，它是所有其它行星质量总和的两倍多。然而和质量

是它的

1 040倍的太阳比起来，它还是一个侏儒。

木星与太阳的平均距离是

7.78×108公里，相当于地球到太

阳距离的

5.2倍。即使和地球在太阳同一侧时，木星到地球的距

离也从不少于

62 751万公里（39 000万英里）。它得到的阳光只

有地球的

1/27，但由于身体庞大，在天空中依然很亮。

在最亮的时候它会达到－2.5星等，比任何一颗恒星都亮得

多。金星和火星在最亮时会超过木星的亮度（金星超得更多）。但

从另一个方面来看，当金星和火星在轨道较远的部分运行时，通常

要暗淡得多。而木星则只有在远离地球时才稍微显得有点儿暗，

因为它的轨道太远，所以不管它是否和我们在太阳的同一侧，亮度

几乎没有什么变化。因此，除了太阳和月球外，木星常常是天空中

最亮的天体（尤其是它可以整夜出现在空中，而金星却不能），所以

在西方木星被冠以罗马神话的众神之王的美称朱比特。

木星的卫星

当伽利略首次制成望远镜并将它转向天空时，他没有放过木

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星。1610年

1月

7日，他在观测木星时，立刻看到了木星附近的

3

个光点——有

2个在同一侧，1个在另一侧，都在同一条直线上。

夜复一夜，每次观看木星时，总看到这

3个小天体，它们的位置变

化就好像是从木星的一侧到另一侧摆动一样。1月

13日，他又发

现了第四个。

伽利略断定，这

4个小天体绕木星运转，如同月球绕地球运转

一样。这些是太阳系中第一批用肉眼无法看见而被望远镜发现的

天体。而且，这也是看得见的证据，说明太阳系中有些天体并不绕

地球运转。

开普勒给这

4个天体创造了一个名词——卫星（源自拉丁文，意

思是有钱有势者的随从）。从那之后，凡是环绕行星的物体都叫这

个名字。月球是地球的卫星，卫星

1号则是一颗人造的卫星。

这

4颗木星的卫星统称为伽利略卫星。在伽利略的发现之后

不久，一位荷兰天文学家马里厄斯给这

4个卫星各取了一个名字。

从木星往外数，分别是伊俄（中文名木卫一）、欧罗巴（中文名木卫

二）、加尼美德（中文名木卫三）和卡利斯托（中文名木卫四），每个

名字都和神话中的朱比特（即希腊神话中的宙斯）有关。

伽利略卫星当中，最近的木卫一距离木星中心

422 000公里

（262 000英里），差不多是月球到地球中心的距离。然而，木卫一

每

1.77天绕木星一周，不像月球绕地球一周用

27.32天。木卫一

之所以比月球运行得快得多，是因为木星的质量比地球大，因而木

星的引力对木卫一的吸引也远远超过地球对月球的吸引。（实际

上，木星的质量可以根据木卫一的速率计算出来。）

木卫二、木卫三和木卫四分别距离木星

671 000、1 070 000和

1 884 000公里（417 000、665 000和

1 171 000英里），并且各以

3.55

天、7.16天和

16.69天绕木星公转一周。木星和它的

4颗伽利略

卫星就像是一个小太阳系，而这

4颗卫星的发现使哥白尼的行星

第三章 太阳系

第三章 太阳系

系统更为可信。

人们可以利用卫星来确定木星的质量之后，发现木星的质量

低得惊人。木星的质量大约是地球的

318.4倍，而体积却是地球

的

1 400倍。如果木星所占的空间是地球的

1 400倍，为什么没有

1 400倍的地球物质，从而有

1 400倍的地球质量呢？答案是木星

每部分的质量要比地球相同部分的质量小。换句话说，木星的密

度比地球小。

事实上，木星的密度只有水的

1.34倍，即只有地球密度的

1/4。很明显，木星一定是由密度比岩石和金属小的物质构成的。

这

4颗卫星本身则和月球差不多。

4颗当中最小的是木卫

二，直径大约是

3 120公里（

1 940英里），比月球略小一点。木卫

一直径是

3 650公里（

2 270英里），差不多正好和月球一样大。木

卫四和木卫三比月球大，木卫四的直径是

4 840公里（

3 010英

里），木卫三是

5 250公里（3 260英里）。

木卫三实际上是太阳系中最大的卫星，它的质量是月球的

2.5

倍。事实上，木卫三明显地大于水星，木卫四则跟水星差不多。然

而，构成水星的物质密度要比木卫三大，结果木卫三只有水星质量

的

3/5。靠里的两颗卫星木卫一和木卫二和月球的密度差不多，

所以必定是由岩石物质组成的。木卫三和木卫四的密度和木星相

似，所以必然是由较轻的物质组成的。

考虑到木星远大于地球，对木星有

4颗卫星而地球只有

1颗

卫星就不会感到惊奇了。事实上，如果木星的卫星没有那么多，或

地球的卫星不是那么少，那才是一件令人奇怪事情。

4颗伽利略卫星合在一起是月球质量的

6.2倍，但仅是它们

所环绕的木星质量的

1/4 200。月球质量则是它所环绕的地球的

1/81。

通常行星所拥有的卫星和自己比起来都非常小——如木星的

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卫星。在所有行星中，金星和水星根本没有卫星，尽管金星和地球

大小差不多；火星有两颗，但是非常小；地球的卫星非常大，地球和

月球几乎可以被看成是一对双行星。

在伽利略发现木星的

4颗卫星之后，将近

3个世纪，没有再发

现任何木星的卫星，虽然这段时间内发现了别的行星的

15颗卫

星。

最后，

1892年，美国天文学家

E. E.巴纳德探测到了一个靠近

木星的光点，非常暗淡，在木星光的闪耀下几乎无法看到。它就是

木星的第五颗卫星，也是用眼睛观察发现的最后一颗卫星。从那

以后，卫星都是通过从地球上或由探测器所拍摄的照片而发现的。

这第五颗卫星被命名为阿玛尔忒亚（中文名为木卫五。阿玛尔

忒亚是希腊神话中的一个水中仙女，她被想象为曾在宙斯婴幼时

哺过他奶）。这个名称直到

20世纪

70年代才被正式承认。

木卫五距离木星中心只有

180 000公里（112 000英里），以

11.95小时的周期运行。它比任何一颗伽利略卫星都更靠近木

星，在那样近的距离上木星的光亮使得它黯然失色，这也是经过这

么长的时间才发现它的一个原因。另一个原因是它的直径只有

250公里（

155英里），是最小的伽利略卫星的

1/13，所以非常暗。

虽然如此，后来发现木星还有许多比木卫五还小因此也更暗

的其它卫星。这些卫星大部分距离木星很远，远在任何一颗伽利

略卫星的轨道之外。在

20世纪，发现了

8颗这样的外层卫星；第

一颗在

1904年，第八颗在

1974年。在那时，这

8颗卫星仅按它们

的发现次序以罗马数字来表示，从木星Ⅵ到木星ⅩⅢ。

美国天文学家珀赖因于

1904年

12月发现了木星Ⅵ，1905年

1月发现了木星Ⅶ。木星Ⅵ的直径大约是

97公里（

60英里），而木

星Ⅶ的直径大约是

32公里（20英里）。

木星Ⅷ于

1908年被英国天文学家梅洛特发现，而美国天文学

第三章 太阳系

第三章 太阳系

家尼科尔森

1914年发现了木星Ⅸ，1938年发现了木星Ⅹ和木星

Ⅺ，并于

1951年发现了木星Ⅻ。这后面

4颗的直径大约是

24公

里（15英里）。

最后，1974年

9月

10日，美国天文学家科瓦尔发现了木星

ⅩⅢ，直径只有

16公里（10英里）。

这

8颗外层卫星可以分为两组。里面的

4颗——Ⅵ、Ⅶ、Ⅹ和

ⅩⅢ——平均距离木星

1 126万公里（

700万英里）左右，大约是木

星到木卫四的

6倍，外面的

4颗平均距离木星

2 253万公里（1 400

万英里），大约是里面

4颗距离木星的

2倍。

伽利略卫星都是在木星的赤道面上以几乎正圆形的轨道绕木

星运行。这是可以预料到的情形，这是由木星对这些卫星的潮汐

效应造成的（我将在下一章中进一步讨论这个问题）。如果某个卫

星的轨道不在赤道面上（即轨道倾斜），或者不是正圆（即偏心圆），

那么木星的潮汐效应会在一定的时间内将卫星拉回赤道面，并使

其轨道变圆。

但是，潮汐效应和作用物的质量成正比，却随着距离的增加而

迅速减弱，并和被作用物的大小成反比。因此尽管木星的质量很

大，对很小的外层卫星却只有很弱的潮汐效应。这样，虽然有

4颗

卫星和木星的平均距离差不多，另外

4颗又几乎都在另一个距离

上，却没有碰撞的迫切危险。因为每一个轨道都有不同的斜角

和不同的偏心率，所以，这些卫星在环绕行星的运行中永远不会和

其它任何一个打交道。

在外层卫星中的那

4颗靠外的卫星，它们的轨道倾斜的程度，

简直可以说是把它们扭转得颠倒了过来。它们以反常的方式绕木

星公转，也就是顺时针运行（从木星北极的上方看），而不像其它

木星的卫星那样逆时针运行。

这些小的外层卫星可能是被俘获的小行星（我将在本章的后

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面加以论述），而它们不合常规的轨道可能是由于它们加入木星卫

星系统的时间还不长，潮汐效应还没有来得及修正它们的轨道。

此外，天文学家能够证明，如果一个卫星以反常的轨道接近行星，

就比较容易被这颗行星俘获。

最近几年，所有木星的外层卫星都以冷僻的神话人物正式命

名。离木星最远的卫星是木星Ⅷ，现在叫做帕西法厄（中文名木

卫八）。它的轨道偏心率相当大，以致在轨道最远的那一点，离木星

有

3 300万公里（2 060万英里），是月球离地球最远时的

80多倍。

这是我们所知环绕行星的卫星当中距离最远的一颗。

木星Ⅸ称为西诺普（中文名木卫九）。它的平均距离稍大于木

卫八，因此环绕木星一周的时间更长一些。木卫九环绕木星一周

要

758天，差不多相当于两年又一个月。我们所知道的其他卫星

没有一颗有这样长的公转周期。

木星的形状和表面

木星本身的情况又是怎样的呢？

1691年，J. D. 卡西尼用他的

望远镜研究木星，发现它不是一个光亮的圆而是一个相当确切的

椭圆。从三维的角度来看，这一观察意味着木星不是一个圆球，而

是一个扁球，很像一个橘子。

这实在令人惊讶，因为太阳和月亮（满月时）都是完美的光圆，

因此似乎是完美的圆球。然而，牛顿的理论（当时还是非常新的）

可以圆满地解释这种现象。我们在下一章里将会看到，一个旋转

着的圆球有可能成为扁球。因为旋转会使圆球在赤道区域隆起而

在两极之处扁平。旋转得愈快，就愈不像一个圆球。

因此，从赤道上的一点到赤道对过的另一点的直径（赤道直

径）必然比从北极到南极的直径（极直径）长。木星的赤道直径，也

就是通常在天文书中所给的直径，是

142 800公里，但是它的极直

第三章 太阳系

第三章 太阳系

径只有

134 000公里。两者相差

8 800公里，大约是地球直径全长

的

2/3。这个差距除以赤道直径所得的数字叫扁率。木星的扁率

是

0.062，或者以分数来表示为

1/16。

水星、金星和我们的月球，由于转动十分缓慢，所以没有可测

量的扁率。太阳以中等的速率旋转，强大的引力吸引使它保持不

太隆起，因此它也没有可测量的扁率。地球转动得快一些，有

0.003 3的很小的扁率。火星的转动速度中等，但使赤道保持不隆

起的引力吸引比较小，所以它的扁率是

0.052。

虽然木星的引力吸引比地球大得多，它的扁率却几乎是地球

的

19倍，因此我们可以估计，木星绕着它的轴旋转得相当快。事

实确是如此。

1665年，J. D. 卡西尼追踪木星表面上稳定移动着的

标志，发现木星自转周期不到

10小时。（现在的数字是

9.85小时，

或

2/5地球日）。

虽然木星自转周期比地球短得多，但木星的体积远大于地球。

在地球赤道上的一个点，用

24小时绕一整圈，所以它

1个小时要

走

1 670公里（

1 040英里）。木星赤道上的一个点，要用

9.85小时

转一整圈，1个小时要走

45 000公里（28 000英里）。

J. D. 卡西尼看到的那些斑点（后来也有一些天文学家观察

到）一直在变化，因此似乎不是固体表面的一部分。这些天文学家

所看到的很像是金星外围那样的云层，而那些斑点可能是各种风

暴系统。另外还有平行于赤道的带色的条纹，这些可能是盛行风

造成的。木星绝大部分是黄色的，而带色的条纹则变化不定，从橙

色到褐色，有时带点白色、蓝色或灰色。

英国科学家胡克

1664年首先看到木星表面上最引人注目的

标志；到了

1672年，J. D.卡西尼绘制木星图时，标明这个标志是

一个大圆斑。这个斑在以后几年的木星图中也曾出现；但直到

1878年，德国天文学家坦普尔才对它加以戏剧化的描述。当时他

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觉得那个斑很红，从那时以来，它一直以大红斑著称。其实它的颜

色不断地随时间而变化，有时颜色非常暗淡，质量差的望远镜就会

看不到。从地球上看，它是一个卵形物，从东至西长

48 000公里

（30 000英里）；由南至北宽

13 000公里（8 000英里）。

有些天文学家怀疑大红斑是一个巨大的陆龙卷。事实上，木

星体积和质量如此之大，竟使一些人怀疑木星可能比其他的行星

热得多——热到接近炽热的程度。大红斑可能真是这样一个炽热

的区域。然而，虽然木星的内部无疑是非常热的，但它的表面却并

非如此。1926年，美国天文学家门泽尔证明，我们能看到的木星

云层，温度是－135℃。

木星的物质

由于木星的密度低，所以木星必然富有密度比岩石和金属低

的物质。

宇宙间最常见的物质通常是氢和氦。氢原子占全部原子的

90%，氦原子占

9%。这并不令人惊讶，因为氢原子是存在的最简

单物质，而氦原子仅次之。在剩余的原子中，大部分是碳、氧、氮、

氖和硫。氢原子和氧原子结合形成水分子；氢原子和氮原子结合

形成氨分子。

这些物质的密度在正常情况下和水相等或者比水低。如果在

强大的压力下，如在木星的内部，它们的密度可能会比水高。如果

木星是由这些物质组成的话；倒是可以解释它的低密度。

1932年，一位德国天文学家维尔特研究从木星反射的光，发

现某些波长被吸收了——正是会被氨和甲烷所吸收的波长。因此

他推断，至少这两种物质存在于木星大气之中。

1952年，木星正从白羊座

σ星前面通过时，两位美国天文学

家鲍姆和科德仔细地观察了这一事件，发现当这颗星接近木星的

第三章 太阳系

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球体时，它的光穿过了木星云层上方薄薄的大气。从光变暗的方

式可以证实，这种大气主要是氢和氦。

1963年，美国天文学家斯

平拉德研究发现还有氖。

在地球的状况下，这些物质都是气体；如果木星结构的绝大部

分是由这些物质组成的话，那么将木星叫做气体巨行星似乎非常

合适。

第一批木星探测器是先驱者

10号和先驱者

11号，分别于

1972年

3月

2日和

1973年

4月

5日发射。先驱者

10号于

1973

年

12月

3日通过木星，在木星可见表面上方仅

136 800公里

（85 000英里）。先驱者

11号则在

1年之后的

1974年

12月

2日

从木星上方仅

42 000公里（

26 000英里）的地方通过。它通过了

木星北极的上方，于是人类第一次看见了木星的北极。接着又发

射了一对更为先进的探测器。它们是旅行者

1号和旅行者

2号，

分别于

1977年的

8月

20日和

9月

5日发射，于

1979年

3月和

7

月通过木星。

这些探测器证实了以前对木星大气的推断。木星大气大部分

是氢和氦，比例大约是

10：1（正好是宇宙通常的状况）。有些成分

在从地球上探测时没有测到，其中包括乙烷和乙炔（两者都是碳氢

化合物、水、一氧化碳、磷化氢以及锗烷。

无疑，木星大气含有相当复杂的组成和化学性质，除非能够向

木星大气中发射一枚探测器，并让探测器在木星大气中长期存留

以发回足够的资料，否则对木星的大气不会有充分的了解。大红

斑（正如大多数天文学家所猜测的）是一股巨大的飓风，比地球还

要大而且几乎永久不衰。

整个木星似乎都是液体。温度随着深度迅速升高，强大的压

力也会促使氢变成炽热的液体。在木星的中心可能有一个固态的

白热的金属核心。（到目前为止，木星深处的状况在地球上仍无法

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复制，可能还需要一些时间才能对它作出肯定的推断。）

木星探测器

木星探测器在逼近

4颗伽利略卫星的地方拍下了它们的照

片，使人的眼睛第一次看到它们比普通的小圆盘略大一点。

后来得到关于它们的实际大小和质量的更精确的资料，尽管

发现伽利略卫星中最里面的木卫一的真正质量比原来猜想的增加

了

1/4，可是也证明了以前的其他估计只需要一些小的修正。正

如人们从木卫三和木卫四的低密度所能猜想的那样，木卫三和木

卫四是由轻物质（如水）组成的。由于距离太阳遥远（同时因为是

小天体，没有像木星或地球那样巨大的内热能），因而处于低温之

下，使这些物质呈现固体状态而被称为冰。两个卫星上都散布着

许多陨星坑。

木星的潮汐作用能把这些卫星加热，因为潮汐作用有反复弯

曲卫星上物质的倾向，因而使物质摩擦生热。但潮汐作用随着距

离的增加而迅速减小。木卫三和木卫四距离木星太远，潮汐生热

极少，所以依然保持冰冻的状态。

木卫二离太阳比较近，在其历史上的某个早期阶段，由于太热

无法聚集很多的冰；或者，即使聚集了很多冰，在那一段历史过程

中，大部分已被融化、蒸发，散失到空间。（伽利略卫星的引力场太

小，无法在潮汐生热时保留住大气。）可能是因为无法聚集大量的

冰，或者是在聚集之后又失去，才使木卫二和木卫一明显地比木卫

三和木卫四小。

但是木卫二仍然有足够的冰而形成一个全是海洋的世界（如

同以前想象的金星那样）。在木卫二的温度下，这个海洋是一个冰

川的世界。而且，这个冰川非常平滑（木卫二是天文学家们至今所

看到的最平滑的固体世界），然而在它上面有纵横交错的细而暗的

第三章 太阳系

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斑纹）使它看起来非常像洛威尔的火星图。

木卫二的表面冰川光滑而没有陨星坑的事实，使人们猜测在

它的下面可能存在着由潮汐生热融化的液体水。陨星的碰撞（如

果够大的话）可能击碎冰的表层，但是随后水将冒出而再冰冻，重

新封住裂口。较小的碰撞可能造成短暂的裂缝；这些裂缝也可能

是由潮汐效应或其他因素造成的。尽管如此，总的说来木卫二的

表面一直保持平滑。

伽利略卫星中最靠近木星的木卫一得到的潮汐生热最多，因

此很明显它是完全干燥的。就在探测器到达之前，人们仍然对它

感到困惑。1974年，美国天文学家布朗报告说，木卫一被一层钠

原子的黄霾所围绕。确实，木卫一运行的整个轨道上似乎弥漫着

一层稀薄的霾，像是环绕木星的一条黄色的彩带。这些黄霾必定

来自木卫一，但没人知道是怎样形成的。

先驱者号探测器证实，木卫一的确有一层稀薄的大气，密度约

为地球的

1/20 000，后来旅行者号探测器解开了这个谜。旅行者

号拍摄的照片表明，木卫一有活火山。除了地球上的活火山之外，

这些是人们知道存在的仅有的活火山。很明显，岩石熔化的区域

（被木星的潮汐作用所加热）潜伏于木卫一的表面之下，而在不同

的地方以喷射钠和硫的方式穿过外壳，形成大气和轨道上的黄彩

带。木卫一的表面覆盖了一层硫，使它的颜色由黄到褐。木卫一

的环形山不多，因为大部分环形山被火山物质填满了。只有几个

较暗的斑点表示一些新近出现的环形山尚未填充。

在木卫一轨道内侧的是木卫五，从地球上看它只不过是一个

小光点。旅行者号探测器证实，同火星的两颗卫星一样，木卫五也

是一个不规则的天体，但是比较大。它的直径变化在

266～140公

里（166～87英里）之间。

还发现了另外

3颗卫星，每一颗都比木卫五更靠近木星，也都

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比木卫五小得多。它们是木星ⅩⅣ、木星ⅩⅤ和木星ⅩⅥ，据估计它

们的直径分别是

24、80和

40公里（

15、50和

25英里）。在目前的

条件下，由于它们太小和太靠近木星的光芒、从地球上无法看到这

些卫星。

木星ⅩⅥ最靠近木星，距木星中心只有

128 700公里（

80 000

英里）——也就是在木星云层表面上方仅

58 000公里（

36 000英

里），它每

7.07小时绕木星公转一周。木星ⅩⅣ只稍远一点儿，

以

7.13小时的周期绕木星公转。两者的公转都比自转快。所以

如果从木星云层上看的话，将会发现两颗卫星都是西升东落。

在最内层的卫星轨道内，有一些岩屑，像是围绕着木星的一条

零碎的又薄又稀的光环。由于光环太薄太稀，所以用一般的方法

在地球上看不到。

土 星

土星是古人所知道最远的一颗行星，它虽然距离我们很远，却

相当地明亮。在最亮的时候，它可以达到－0.75星等，此时除了

天狼星之外，比任何恒星都要亮。它的亮度也超过了水星，而且无

论如何，它也比水星更容易观察，因为土星比我们距离太阳更远，

不像水星那样只能保持在太阳的周围，以致无法在半夜的星空中

出现。

土星与太阳的平均距离是

14.3×108公里，是木星平均距离

的

1.833倍，绕太阳公转一周约需

29.458年，与木星公转周期

11.862年相比，土星年大约是木星年的

2.5倍。

在许多方面，土星都亚于木星。就拿大小来说，它是太阳系中

的第二大行星，次于木星。赤道直径为

120 000公里，仅为木星的

5/6。由于土星体积比较小，距离太阳又比较远、因而照射到土星

第三章 太阳系

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上的太阳光的强度仅为木星的一半，使土星比木星暗了许多。但

是在另一方面，土星仍然大得足以使它有相当大的亮度。

土星的质量是地球的

95.1倍，成为仅次于木星的第二个质量

最大的行星。它的质量只有木星的

3/10，而体积却为木星的

6/10。

这样大的体积中只有这么少的质量，土星的密度一定非常低。

确实，土星的密度仅是水的

0.7倍，是我们知道的太阳系中密度最

小的行星。如果我们设想能够用塑料布把土星包起来，以防止它

融化或散开，然后将它放进一个能够容得下的海洋里，它将会浮在

水面上！因此可以推测，土星较木星含有更多的氢，而其他的含量

则较少。同时，由于土星的重力很弱，因此对组成它的物质也不能

像木星压缩自己的物质那样压缩得那么紧。

虽然土星的体积较小，自转速度却很快，但比起木星还是慢了

些；土星的自转周期是

10.67天，所以土星日比木星日长

8%。

尽管土星的自转比木星慢，但是土星外层的密度较低，吸住外

层的引力吸引也较小。结果，土星在赤道附近隆起较大，而成为太

阳系最扁的一颗行星。它的扁率为

0.102，比木星扁

1.6倍、比地

球扁

30倍。虽然土星的赤道直径有

120 000公里，而极直径却仅

有

108 000公里，相差

12 000公里，几乎是地球直径的全长！

土星环

从另一个角度来看，土星反而独具丰姿。伽利略第一次透过

他原始的望远镜观察土星时，发现它的形状有点奇怪，好像在其球

体的两侧还有两个小球。他继续观察，发现那两个小球渐渐变得

很难看见，到

1612年年底时，终于同时消失不见了。

其他天文学家也报告过土星的这种奇怪现象；但直到

1656

年，惠更斯才提出了正确的解释。他宣称，土星外围环绕着一圈又

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亮又薄的光环；光环与土星不接触。

土星的自转轴和地球一样，也是倾斜的，土星的轴倾角是

26.73°，地球则是

23.45°。由于土星的光环和赤道是在同一平面

上，所以它是对着太阳（也对着我们）倾斜的。当土星运行到其轨

道的一端时，我们可由上往下看见光环近的一面，而远的一面仍被

遮住。当土星在轨道的另一端时，我们就可由下往上看到光环近

的一面，而远的一面依然被遮住。土星从轨道的这一侧转到另一

侧需要

14年多一点。在这段时间内，光环也逐渐由最下方移向最

上方。行至半路时，光环恰好移动到中间位置，这时我们观察到光

环两面的边缘连接在一起，状如“一条线”。随后，土星继续运行，

沿着另一半轨道绕回原来的起点，这时光环又逐渐地由最上方向

最下方移动；移到正中间时，我们又看见其边缘连接在一起。因为

土星环非常薄，所以当光环状如“一条线”时就好像消失了一样。

1612年年底伽利略看到的正是这种情景；据说由于懊恼，他没有

再观察过土星。

1675年，J. D. 卡西尼发现，土星环并不是一个完整的光环。

在光环的周围有一条暗线，把光环分成内外两部分。外面的一部

分比较窄，而且不如里面那一部分亮，看起来像是两个环套在一

起。从那以后，土星环一直被认为是由几个环组成的（见图

4-9）。

这条暗线现在叫做卡西尼缝。

1826年，德国血统的俄国天文学斯特鲁维把外面的环命名为

A环，把里面的环命名为

B环。1850年，美国天文学家

W. C.邦德

宣称，还有一个比

B环更靠近土星的暗淡光环。这个暗淡光环就

是

C环，C环与

B环之间并没有明显的分界。

在太阳系的任何地方都没有像土星环那样的东西，或者说，用

任何仪器我们也看不到任何地方有像土星环那样的光环。诚然，

我们现在知道，围绕着木星有一个稀薄的物质光环，且任何像木星

第三章 太阳系

第三章 太阳系

和土星这样的气体巨行星都可能有一个由靠近它们的岩屑构成的

光环。然而，如果以木星的光环为标准，这些光环都是可怜而微不

足道的，而土星的环系却是壮丽动人的。从地球上看，从土星环系

的一端到另一端，延伸

269 700公里（

167 600英里），相当于地球

宽度的

21倍，实际上几乎是木星宽度的

2倍。

土星环到底是什么呢？J. D. 卡西尼认为它们像铁圈一样是

平滑的实心环。可是，

1785年拉普拉斯（后来他提出了星云假说）

指出，因为环的各部分到土星中心的距离不同，所以受土星引力场

吸引的程度也会不同。这种引力吸引的差异（即我前面提过的潮

汐效应）会将环拉开。拉普拉斯认为，光环是由一系列的薄环排在

一起组成的，它们排列得如此紧密，以致从地球的距离看去就如同

实心的一样。

可是，

1855年，麦克斯韦（后来他预言了电磁辐射宽频带的存

在）提出，即使这种说法也未尽圆满。光环受潮汐效应而不碎裂的

惟一原因，是因为光环是由无数比较小的陨星粒子组成的，这些粒

子在土星周围的分布方式，使得从地球的距离看去给人以实心环

的印象。麦克斯韦的这一假说是正确的，现在已无人提出疑义。

法国天文学家洛希用另一种方法研究潮汐效应，他证明，任何

坚固的天体，在接近另一个比它大得多的天体的时候，都会受到强

大的潮汐力作用而最终被扯成碎片。这个较小的大体会被扯碎的

距离称为洛希极限，通常是大天体赤道半径的

2.44倍。

这样，土星的洛希极限就是

2.44乘以它的赤道半径

60 000

公里，即

146 400公里，

A环的最外边缘至土星中心的距离是

136 500公里（

84 800英里），因此整个环系都处在洛希极限以内。

（木星环也同样处在洛希极限以内。）

很明显，土星环是一些永远也不能聚结成一颗卫星的岩屑（超

过洛希极限的岩屑会聚结成卫星——而且显然确实如此），或者是

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一颗卫星因某种原因过分靠近土星而被扯碎后留下的岩屑。无论

是哪一种情况，它们都是余留的一些小天体。（被作用的天体越

小，潮汐效应也就越小，碎片小到某个程度之后，就不再继续碎裂

了，除非两个小天体相互间偶尔碰撞。）据估计，如果将土星环所有

的物质聚合成一个天体，结果将会是一个比我们的月亮稍大的圆

球。

土星的卫星

土星除了光环之外，也和木星一样拥有一族卫星。1656年，

在发现土星光环的同一年，惠更斯第一次发现了土星的一颗卫星。

两个世纪以后，这颗卫星才被命名为提坦（中文名土卫六）。在希

腊神话中提坦是一个神族，称为提坦诸神，萨图耳努斯（土星的命

名）就是希腊神话中的克罗诺斯，他也属于这个神族。土卫六的体

积很大，和木卫三的大小差不多，但密度比木卫三小，所以它们彼

此的质量相差甚远；尽管如此，土卫六无论在质量或是直径上，仍

然是太阳系中的第二大卫星。

有一点土卫六至今仍居同类的首位。虽然土卫六的表面重力

很小，但是由于它比木星的卫星离太阳更远，因而也更冷，所以它

能更好地保留住那些因受冷而变得不活跃的气体分子。1944年，

在德国出生的美国天文学家柯伊伯探测到了土卫六周围的不可否

认的大气，并发现大气中含有甲烷。甲烷是地球上天然气中的主

要成分，它的分子（

CH4）是由

1个碳原子和

4个氢原子结合而成

的。

在发现土卫六的时候，已经知道的其他卫星共有

5颗，它们分

别是月球和木星的

4颗伽利略卫星，这

5颗卫星大小都差不多，比

起已知的行星来它们的大小都非常相似。然而，在

1671－1684年

期间，J. D. 卡西尼又发现了不少于

4颗土星的卫星，每一颗的直

第三章 太阳系

第三章 太阳系

径都比伽利略卫星中最小的木卫二还要小得多。J. D. 卡西尼发现

的这些卫星中，最大的直径有

1 400公里（900英里），现已被命

名为伊阿佩托斯（中文名土卫八），最小的直径只有

1 000公里

（650英里），名为忒梯斯（中文名土卫三）。从此以后，人们知道了

卫星可以是很小的。

到

19世纪末的时候，土星卫星的数目已经增加到

9颗。最后

发现的第九颗被称为福柏（中文名土卫九），是由美国天文学家

W. H.皮克林首先探测到的。它是目前已知的最远的一颗卫星，

与土星的平均距离为

1 300万公里（800万英里）。土卫九以逆行

的方向每

549天绕土星公转一周。它也是最小的一颗卫星（因为

小，自然就暗，所以这么晚才被发现），直径约为

190公里（

120英

里）。

1979年～1981年，先驱者

11号、旅行者

1号和旅行者

2号

3

枚探测器先后通过木星，奔向土星，为我们提供了精密观察土星本

体、土星环和土星卫星的机会。

土卫六因为拥有自己的大气，当然是我们探测的主要目标。

旅行者

1号发射的无线电信号在通往地球的途中掠过土卫六的大

气，一些信号能量被吸收了；根据吸收的具体成分来计算，结果发

现，土卫六的大气意想不到的浓密。从地球上探测到的甲烷含量

来估计，土卫六的大气密度和火星大气差不多。事实上并非如此。

土卫六的大气密度是火星大气的

150倍，大约是地球大气的

1.5

倍。

之所以会有这样令人惊讶的数字，是因为从地球上探测到的

仅是甲烷，如果土卫六的大气中只有这一种成分的话，土卫六的大

气会是稀薄的，但是，甲烷仅占土卫六大气全部含量的

2%，其余

的是氮，而氮气很难利用其吸收特征探测出来。

土卫六大气云雾弥漫，根本看不见固体表面。然而这种云雾

最新科学指南（上）

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却非常有趣。甲烷是一种容易聚合的分子，即能够自我结合成更

大的分子。于是，科学家们随意推测，土卫六可能具有由相当复杂

的含碳分子构成的海洋或泥沼。实际上，我们甚至可以自得其乐

地想象，上卫六的表面覆盖着沥青，固体石油露出地面，甲烷和乙

烷湖冒着气泡。

正如人们可以预想的那样，其余的土星卫星都有陨星碰撞的

坑。9颗卫星中最内层的土卫一有一个坑非常大（相对于卫星的

大小而言），可以想象，产生这个坑的撞击必定差一点儿把这整个

星球粉碎。

土卫二在

9颗卫星中排行老二，但它的表面相当平滑，可能是

由于潮汐生热致使部分融化的结果。土卫七是一个最不圆的卫

星，直径变化从

110公里到

190公里（

70～120英里），形状看起来

很像火星的卫星，但比它们大得多，正因为它足够大，所以人们认

为，在其自身的引力作用下，土卫七应该变得相当圆。它现在之所

以不圆，大概是新近分裂出来的缘故。

从

1671年首次发现土卫八时起，土卫八就有自己的特色，在

土星西侧时比在东侧时要亮

5倍。因为土卫八总是保持一面朝向

土星，所以它在上星的一侧时，我们看到的是它的半球，到了另一

侧时，看到的是它的另一半球，由此人们自然会猜想，一半球对阳

光的反照率是另一半球的

5倍。旅行者

1号传送回来的照片证实

了这种猜想。由照片上可以看出。土卫八有明有暗，好像一面是

冰，另一面却覆盖着暗色的尘土。这种差异的原因尚不清楚。

土星探测器也成功地发现了

8颗小卫星，它们都太小，从地球

上探测不到，这样就使土星的卫星总数增加到了

17颗。最靠里的

卫星距离土星中心仅

137 000公里（

85 000英里），高出土星的云

层

77 000公里（48 000英里），大约

14.43小时绕土星公转一周。

在土卫一轨道的内侧，有两颗卫星异乎寻常地共轨，即两颗卫

第三章 太阳系

第三章 太阳系

星共用同一轨道，绕着土星不停地互相追逐，这是我们知道的这

种共轨卫星的第一个例子，它们距离土星中心 150 000公里

（94 000英里），公转周期为 16.68小时。1967年法国天文学家多

尔夫报告说，他在土卫一的轨道内侧发现了一颗新卫星，并命名为

伊阿努斯（中文名土卫十）。他看到的可能是这共轨卫星中的一

颗。因为在不同的时间会看到不同的卫星，致使他得出了错误的

轨道资料。如今在土星卫星的名单上已不再使用伊阿努斯这个名

字了。

其余的 3颗新发现的卫星也呈现了前所未有的奇特现象。在

很久以前被 J. D.卡西尼发现的土卫四，被探测到还有一颗微小的

共轨伴星，土卫四的直径是 1 120公里（700英里），而伴星土卫四-

B的直径仅有 32公里（ 20英里），并且保持在超前土卫四 60°的位

置环绕土星运行。结果，土星、土卫四和土卫四-B分别位于等边

三角形的三个顶点上。这就是特罗央情形，我将在下面的叙述中

解释其中的原因。

这种情形只有当第三个天体远远小于前两个天体时才可能发

生。发生这种情形时，小的天体必须超前或落后大的天体 60°。

超前要在 L-4位置，落后要在 L-5位置。土卫四-B位于 L-4

位置。（英文字母 L是为了纪念意大利出生的法国天文学家拉格

朗日，1772年，他计算出这种位形在引力上是稳定的。）

接下来是土卫三，也是卡西尼卫星之一，它有两颗共轨伴星：

土卫三-B在 L-4位置，土卫三-C位于 L-5位置。

很明显，土星的卫星家族是我们迄今所知太阳系中数目最多

而且情况最复杂的一个。

土星环远比我们想象的复杂得多。从近距离的观察可以看

出，它是由上百个甚至上千个的细环组成的，就像唱片上的沟槽一

样，有些地方的暗纹像车轮的辐条一样垂直于环上。在更外层的

最新科学指南（上）

最新科学指南（上）

地方还有一个好像是由三个缠绕在一起的小环组成的微弱光环。

以上的这些现象迄今还无法解释。不过一般都认为，由于电效应，

简单的引力解释一定会变得复杂起来。

最外围的行星

在望远镜尚未诞生的年代里，土星是人类所知道的最远而且

移动最慢的一颗行星。它也是最暗的一颗行星，但它仍然是一星

等的星。在人们知道行星存在以后的几千年中，似乎从来没有人

想到，可能会有些行星离我们太远，因而太暗，我们无法看到。

天王星

虽然伽利略曾经指出，天上还有数以万计的星星亮度太小，不

使用望远镜就看不到、但是可能存在着暗行星这件事并未引起人

们的关注。

后来

1781年

3月

13日，W.赫歇耳在测量恒星的位置时，在

双子星座中看到了一个天体，不是一个光点，而是一个小光盘。起

初他以为那是一颗遥远的彗星，因为在用望远镜观察时，除了行星

之外只有彗星才会像圆盘。然而彗星是模糊的，而这颗星的轮廓

非常清晰，而且，它在天空中相对于恒星背景的移动速度比土星还

要慢，因此，这颗行星必定比土星更遥远更暗淡。这颗新的行星最

终被命名为乌剌诺斯（中文定名为天王星，乌剌诺斯是古希腊神

话中的天神，即萨图耳努斯之父）。

天王星与太阳的平均距离为

2.9×109公里，差不多正好是土

星到太阳平均距离的

2倍。天王星比土星小，直径为

51 800公

里，是地球直径的

4倍。天王星的质量是地球的

14.5倍，但只是

土星质量的

1/6.6，木星质量的

1/22。

第三章 太阳系

第三章 太阳系

因为它距离遥远，体积也比较小，所以看上去比土星、木星暗

得多。但是肉眼也不是完全不能看到。只要我们在黑暗的夜晚找

一个适当的方位观察，即使不用望远镜也可以看到这颗微亮的星。

难道古代的天文学家们从来没发现过它吗？当然不是，只不

过当时大家都认为行星应该是很亮的，因而对这样一颗非常暗的

星没有在意罢了。即使人们连夜地观看它，也不会看到它的位置

变化，因为它的移动太小了。再者，早期的望远镜也不太好，即使

瞄准了正确的方向，也不会将天王星显现成一个清楚的小圆盘。

早在

1690年时，英国的科学家弗拉姆斯蒂德在金牛座中列出

了一颗星，还命名为金牛座

34。以后天文学家们却找不到这颗

星。天王星被发现后，它的轨道也被计算了出来、按今天已知的

天王星轨道逆推回去，在弗拉姆斯蒂德时代，天王星确实在他所报

告的金牛座

34的位置上。半个世纪之后，法国的天文学家勒莫尼

埃也曾在

13个不同的时刻观察到天王星，并把它记在了

13个不

同的位置上，他误以为看到的是

13颗不同的恒星！

对于天王星的自转周期，现在有两个相冲突的说法。通常都

认为是

10.82小时；但是，

1977年有人提出是

25小时。我们大概

要等收到探测器的资料后才能确定

①。关于天王星的自转有一点

是可以肯定的，就是它的自转轴倾斜。倾斜角为

98°，略大于直

角。因此，在天王星每

84年绕太阳公转一周的过程中，它看上去

好像是在沿着自己的一侧滚动一样；它的两极每个极都是

42年的

连续光照，跟着是

42年的连续黑夜。

天王星距离太阳遥远，这种情形对它并没有什么影响。如果

地球这样自转的话，四季将会发生剧烈的变化，地球上能否出现生

①根据

1986年旅行者２号发回的资料，初步确定为

16.8小时±

18

分——译注

最新科学指南（上）

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命就大可怀疑了。

W.赫歇耳在发现天王星之后，每隔一段时间都要观察它。

1787年，他又发现了两颗命名为蒂坦尼亚（中文名天卫三）和奥伯

龙（中文名天卫四）的卫星。

1851年，英国的拉塞尔又发现了两颗

更内层的卫星，分别起名为阿里尔（中文名天卫一）和昂布里尔（中

文名天卫二）；最后，柯伊伯于

1948年发现了第五颗卫星米兰达

（中文名天卫五）①。

这些卫星全都在天王星的赤道面上绕天王星公转，所以不仅

天王星，而且它的卫星系统，也像是在沿着自己的一侧滚动。它们

绕天王星南北运行，而不像通常那样东西运行

②。

天王星的卫星离天王星都很近，至少，我们所能看到的卫星

中没有一个远的。５颗当中最远的是天卫四，它距离天王星中心

586

000公里（364 000英里），仅是地球到月球距离的一半，天卫五距

离天王星中心仅

130 000公里（80 800英里）。

这些卫星的体积也都很小，没有一颗可以和伽利略卫星、土

卫六或月球相提并论。最大的天卫四直径也不过

1 600公里（1 000

英里），而最小的天卫五直径只有

240公里（150英里）。

在很长一段时间里，天王星的卫星系统似乎没有什么特别激

动人心的东西；但是后来

1973年，英国的天文学家

G.泰勒计算

出，天王星将通过一颗九等恒星

SA0158687的前方。这一事件使

得天文学家们兴奋不已，因为在天王星从这颗恒星前面通过的过

① 1986年

1月

24日，旅行者

2号飞临天王星，又发现

10颗天王星卫

星。

②因为天王星的赤道面几乎和黄道面垂直，所以，这里的南北、东西是

对黄道面而言的。如果像地球那样，站在天王星上，以天王星自转轴方向为

南北，顺天王星赤道方向为东西，则天王星卫星仍是绕天王星东西运行，而非

南北运行。——译注

第三章 太阳系

第三章 太阳系

程中，就在这颗恒星消失之前，恒星星光将会在一段时间里，穿过

天王星的高层大气。同样，当这颗恒星从天王星后面出现时，恒星

星光也将穿过天王星的高层大气。星光在穿透大气过程中的变

化，可以清楚地告诉天文学家关于天王星大气的温度、压力和成

分。这次掩星过程预计发生在

1977年的

3月

10日。为了观察这

次掩星，那天晚上，美国的天文学家埃利奥特和他的几位同事，乘

飞机升上高空，以避开低空大气的畸变及遮掩效应。

在天王星到达这颗恒星之前，星光突然变暗大约

7秒钟，随后

又变亮了。在天王星继续接近恒星的过程中，又有

4次变暗，每次

都为

1秒钟。在恒星从天王星的另一侧出现时，也发生了同样变

暗的情况，只是顺序相反。解释这个现象的惟一方法，就是假设天

王星也是被一些稀薄的光环围绕着，这些光环太薄、太疏、太暗，在

地球上一般是看不到的。

在掩星期间对天王星的仔细观察，如

1978年

4月

10日的一

次观察，发现天王星共有

9个光环，最里面的环和天王星中心相距

40 500公里（

25 200英里），最外面的环距离天王星中心

49 100公

里（30 500英里））整个环系都完全在洛希极限之内。

天王星的光环非常薄，非常疏，非常暗，我们可以计算出，天

王星光环的亮度仅为土星环的

1/3 000 000。无怪乎除了这种间接

的方法外，用任何方法都看不到天王星的环。

后来，在木星的光环被发现以后，人们开始认为光环根本不是

一种特殊的现象，大概所有的气体巨行星除了有很多颗卫星外，

都有自己的环系。土星之所以特殊，并不是因为它具有环系，而是

因为它的环系分布广泛而又非常明亮。

海王星

发现天王星后不久，就计算出了它的轨道。但是，经过几年的

最新科学指南（上）

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观察，发现它并没有完全按照算出的轨道运行。

1821年，法国天

文学家布瓦尔考虑了弗拉姆斯蒂德等人的观察结果，重新计算了

天王星的轨道，但是天王星也不完全按照这条新的轨道运行。

其他行星对天王星的微小吸引（摄动）会轻微地影响天王星的

运行，使它稍微超前或落后于它理论上的位置。对于这些影响都

仔细地进行了重新计算，可是天王星的运行轨道仍然不准确。因

此，符合逻辑的结论是，在天王星以外，可能有一颗未知的行星对

天王星施加着他们没有考虑到的引力吸引。

1841年，英国剑桥大学一位

22岁的数学系学生

J. C.亚当斯

开始利用课余时间解决这个问题。1845年

9月，他终于计算出了

那颗未知行星应有的位置，如果那颗行星那样运行的话，就能说明

天王星轨道不准确的原因。可是，他的努力并未引起当时英国天

文学家们的兴趣。

在同一时期，另有一位法国的年轻天文学家勒威耶也在独立

地研究这个问题，他在亚当斯之后半年完成研究工作，得出了与

亚当斯相同的结果。勒威耶非常幸运，他找到德国天文学家伽勒

帮助检查他所指出的那片天区是否有一颗未知的行星。伽勒正好

有一张那片天区的新星象图。伽勒于

1846年

9月

23日夜晚开始

搜寻，他和他的助手迪阿雷斯特仅用了一个小时就找到了一颗星

象图上没有标示的八等星。

这正是那颗新行星！而且它的位置几乎就在计算出来的那个

点上。由于它发出略呈绿色的光，所以就以海洋之神命名为海王

星。亚当斯和勒威那共同分享了发现海王星的荣誉。

海王星运行的轨道和太阳相距

4.5×109公里，比天王星和太

阳距离的一倍半还要多（相当于地球和太阳距离的

30倍）。它绕

太阳公转一周需要

164.8年。

如同金星和地球是孪生姊妹一样（至少在大小上），海王星和

第三章 太阳系

第三章 太阳系

天王星也可以说得上是孪生姊妹。海王星的直径是

49 500公里，

只比天王星稍小一点，但是密度比天王星大，质量比天王星多

18%。海王星的质量为地球的

17.2倍，是绕太阳运行的第四颗气

体巨行星。

海王星发现后不到

3个星期，即

1846年的

10月

10日，就发

现了一颗海王星的卫星，并以希腊神话中海神的一个儿子的名字

命名为特里同（中文名海卫一）。后来发现海卫一是又一颗大卫

星，质量几乎与土卫六相等，是被发现的第七颗大卫星，也是从将

近两个世纪以前发现土卫六以来发现的第一颗这样的卫星。

海卫一的直径有

3 860公里（2 400英里），略大于我们的月

球；与海王星中心相距

355 600公里（

221 000英里），和地球与月

球间的距离差不多。但是由于海王星的引力比较大，所以海卫一

的公转周期为

5.88天，约是月球的

1/5。

海卫一是以逆向绕海王星公转的。它不是惟一的逆行卫星。

可是，其他的逆行卫星（如土星最外层的卫星以及木星外层的

4颗

卫星）不但体积小而且距离环绕的行星都很远。海卫一是一个大

而靠近它的行星的卫星。它为什么沿逆行轨道运行迄今仍是一个

谜。

100多年来，海卫一一直是海王星惟一已知的一颗卫星。

1949年，柯伊伯（即在头两年发现天卫五的那个人）观察到一个位

于海王星附近的又小又暗的天体。这是另一颗卫星，被命名为涅

瑞伊得（中文名海卫二）（涅瑞伊得是希腊神话中的海洋女神）。

海卫二的直径大约有

240公里（

150英里），由西向东绕海王

星公转：但它却是所有卫星中轨道偏心率最大的卫星。离海王星

最近时有

139 000公里（

864 000英里），最远时却可达

9 734 000公

里（6 050 000英里）也就是说，它和海王星的远近距离相差

7倍。

它的公转周期为

365.21天，只比我们地球的一年少

45分钟。

最新科学指南（上）

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海王星至今尚未有探测器到访过

①，所以我们不知道海王星

是否拥有其他的卫星或光环，这也就没有什么奇怪的了。既然土

卫六有大气，海卫一也完全可能有大气，到底有没有大气，我们也

不知道。

冥王星

海王星的质量和位置已经说明了天王星轨道的大部分误差。

但是，要说明剩余的误差，一些天文学家认为还应该搜寻一颗比海

王星更远的未知行星。最努力计算和搜寻这颗行星的就是洛威尔

（即以发现所谓的火星运河而闻名的那个人）。

这次的搜寻工作确实有许多的困难需要克服。首先，这颗行

星位于海王星之外，所以必定很暗，它会混同在同样暗的一般恒星

之中；其次，这样一颗行星，它会移动得非常慢，因此会很难探测出

它的位置变化。直到

1916年洛威尔去世的时候，他也没有找到这

颗行星。

但是，美国亚利桑那州洛威尔天文台的天文学家们，在洛威尔

死后，继续了这项搜寻工作。

1925年，年轻的天文学家汤博接替

了这项工作。他使用了一种新的望远镜，能够非常清晰地拍下大

片天空的照片。

他还使用了闪视比较镜，这种仪器能够将相隔数日拍摄的同

① 1989年

8月，旅行者

2号从距离海王星云端

4800公里的地方飞

越，拍摄到海王星的详细情况，发现了

6颗新卫星和

3个光环，还发现海王星

上有一巨大鹅卵形风暴，直径大约

1.28万公里。海卫一是其拍摄的主要目

标之一，发回的照片表明，海卫一是太阳系中惟一一颗真正的“蓝色卫星”，在

其赤道附近有一由冰冻的甲烷气体覆盖着的地带；海卫一的温度为-400℉，

是现在知道的太阳系中最冷的天体；海卫一有大气，很薄，是由氮和甲烷气体

构成的；海卫一上有活的冰火山，喷出液态氮。——译注

第三章 太阳系

第三章 太阳系

一星区的底片迅速地交替投影出来。调整底片，使每张照片上的

星星都对准在同一点上。在底片一张接一张地显现过程中，真正

的恒星位置会保持不变，但是，如果存在任何暗行星的话，它会迅

速交替地改变位置，一会儿这里，一会儿那里，不停地闪动。

即使这样也不容易发现，因为一张底片上就会有数万颗星星，

因此必须仔细地扫描每一部分，在数万颗星星中看有没有一颗在

闪动。

终于在

1930年

2月

18日的下午

4点钟，汤博在研究双子座

的一个区域时，发现了一颗闪动的星。在追踪了将近一个月之后，

1930年

3月

13日，终于宣布他发现了这颗新行星。由于这个行

星远离太阳的光辉，所以依照地狱之神，把它命名为普卢同

①（中

文定名冥王星）。另外，这个名字的前两个英文字母也是洛威尔英

文名字的两个字首

②。

冥王星的轨道计算出来以后，发现有许多地方出人意料。它

与太阳的距离并不像洛威尔和其他天文学家所预测的那么远。它

与太阳的平均距离只有

5.9×109公里，仅比海王星远

30%。

还有，它的轨道偏心率是所有行星中最大的。冥王星离太阳

最远时为

74亿公里（

46亿英里），最近时仅有

43.44亿公里（

27亿

英里）。

冥王星的近日点比海王星实际上近了

1 600万公里（

1 000万

英里）。冥王星的公转周期是

247.7年，但是其中约有

20年的时

间比海王星更靠近太阳，而不是太阳系中最远的行星。碰巧，这个

①即希腊神话的中冥王哈得斯，因为欧洲人忌讳说这个字，因此改称

他为普卢同（财神）。

②冥王星的英文名为

Pluto，洛威尔的英文名是

Percival Lowell——

译注

最新科学指南（上）

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现象在

20世纪的最后

20年中会出现一次，也就是说，现在冥王星

要比海王星更靠近太阳。

冥王星的轨道实际上并不与海王星的轨道交叉，但与其他行

星相比要倾斜得多。冥王星的轨道对地球轨道的倾斜角约是

17.2°，海王星仅稍有倾斜。所以，冥王星和海王星的轨道相交时，

两者与太阳的距离相等，但一个远在另一个的下方。两个行星间

的距离永远也不会少于

24亿公里（15亿英里）。

最令人困惑的是冥王星出人意外的暗，这马上表明它不是一

个气体巨行星。如果它的体积近于天王星和海王星的话，它应该

比现在亮得多。初步推测它只有地球般大小。

即使这样似乎还是高估它了。1950年，柯伊伯设法使冥王星

呈现为一个小光盘；他测量了小光盘的直径以后，认为它的直径只

有

5 800公里（3 600英里），比火星的直径小得多。一些天文学家

不大相信这个估计，但是

1965年

4月

28日，冥王星非常靠近一颗

微弱的恒星，但并不掩它。如果冥王星的体积比柯伊伯所预计的

大，那么它会使这颗恒星变得模糊。

于是，问题清楚了，冥王星非常小，它对天王星轨道的影响用

任何方式也察觉不到。如果有一个遥远的行星可以说明天王星轨

道的最后一点儿误差的话，那么这颗行星一定不是冥王星。

1955年，人们注意到，冥王星的亮度变化很有规律，每

6.4天

反复一次。人们推测它每

6.4天自转一周——自转周期特别长。

水星和金星的自转周期比冥王星更长一些，但它们靠近太阳，受到

太阳的潮汐作用的强烈影响。冥王星自转周期长究竟有什么理由

呢？

1978年

6月

22日的一项发现似乎提供了答案。这一天，美

国天文学家克里斯蒂在仔细检查冥王星的照片时，发现其侧面有

一个明显的肿块。最后他断定冥王星有一颗卫星。它和冥王星非

第三章 太阳系

第三章 太阳系

常靠近，两者中心相距

20 000公里（

12 500英里）。在我们这么遥

远的距离观察，间隔小得看不出来，因此迟延了这么长的时间才发

现它。克里斯蒂将它命名为卡戎（中文名冥卫一），在希腊神话中

他是冥河上引渡亡魂通往冥府的船夫。

冥卫一每

6.4天绕冥王星公转一周，刚好是冥王星的自转周

期。这并不是巧合。这必定是冥王星和冥卫一之间的潮汐作用使

它们自转的速度互相减慢，直至始终保持同一面朝向对方。它们

现在绕着共同的重心旋转，就好像用万有引力吸引在一起的两半

哑铃一样。

这是惟一的哑铃式旋转的行星-卫星的组合体。就拿地球和

月球来说，虽然月球永远以同一面对着地球，但是地球至今尚未慢

到永远以同一面对着月球的程度，因为地球比月球大得多，所以

自转的速度减缓得很慢。如果地球和月球的大小差不多的话，同样

也会形成哑铃式的公转。

从冥王星和冥卫一彼此间的距离和公转的时间，可以推算出

这两颗星的总质量：原来仅有月球质量的

1/8，比我们最少的估计

还要小得多。

从两者的亮度比较来推断，冥王星的直径大概只有

2 940公

里（1 850英里），和

7颗大卫星中最小的木卫二差不多；冥卫一的

直径有

1 200公里（750英里），和土星的土卫四差不多。

这两颗星的大小相差并不太大，冥王星的质量大约只有冥卫

一的

10倍，而地球的质量是月球的

81倍。这一大小的差别说明

为什么冥主星和冥卫一哑铃式地互相公转，而地球和月球却不那

样。冥王星和冥卫一是太阳系中最靠近的一颗“双行星”。直到

1978年人们才认为地球和月球也是一颗“双行星”。①

① 2006年

8月

24日，第

26届国际天文联合会大会决定，不再将冥王

星看作行星，而将其列入“矮行星（dwarf planet）”。——ken777注

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小行星群

火星轨道外的小行星群

在太阳系中，每一颗行星和太阳的距离都大约是前一颗的

1.3～2.0倍，惟一的例外就是第五颗木星和太阳的距离为第四颗

火星的

3.4倍。

在天王星发现之后（此时新行星的可能性令人兴奋），天文学

家们对木星和火星之间的特大间隔感到迷惑不解。在这个间隔里

会不会有一颗行星，比方说，一颗第

41 行星，一颗一直未被发现

2

的行星呢？德国天文学家奥伯斯领导一个小组计划系统地搜寻这

样一颗行星。

当他们正在准备时，意大利天文学家皮亚齐在完全没有考虑

新行星的情况下观看天空，无意中看到了一个每天都在改变位置

的天体。从它移动的速度来估计，好像位于土星和火星之间；从它

黯淡的程度来看，它的体积必定非常小。发现的那一天是

1801年

的

1月

1日，正好是一个新世纪的第一天。

德国数学家高斯根据皮亚齐的观察结果，成功地推算出了这

个天体的轨道；它确实是颗新行星，轨道在火星和木星的轨道之

间，恰好是使各个行星均匀分布所应该处的位置。因为皮亚齐的

研究工作是在意大利的西西里岛上进行的，所以他特别将这颗新

行星命名为刻瑞斯（中文名谷神星），罗马神话中古代意大利专司

粮食的女神刻瑞斯与西西里岛有特别密切的联系。

从它的亮度和距离来推算，谷神星的确非常小，比其他任何

一颗行星都小得多。最新的数字表明，它的直径大约是

1 000公里

（620英里），质量大概是月球的

1/50，比起较大的卫星就小得更

第三章 太阳系

第三章 太阳系

多了。

在火星和木星的间隔中似乎不可能只有谷神星一颗行星，因

此虽然皮亚齐发现了谷神星，奥伯斯仍继续搜寻。到了

1807年，

果不其然，他在这一间隔里又发现了三颗行星。它们分别被命名

为智神星、婚神星和灶神星。其中最小的是婚神星，直径仅有

97

公里（60英里）。

这些新行星非常小，即使用当时最好的望远镜观察，它们也显

现不出小光盘。它们一直是一些光点，就像恒星那样。所以

W.赫

歇耳建议把它们叫做小行星，这个建议被采用了。

后来直到

1845年，德国天文学家亨克才又发现了第五颗小行

星，命名为阿斯特赖亚（中文名义神星，即小行星

5号）。此后，新

的发现接连不断。至今已经发现了

1 600多颗，每一颗都比第一

个被发现的谷神星小得多。它们几乎全都位于火星和木星的间隔

之中，所以这个区域现在被称为小行星带。

为什么会有这些小行星存在呢？早期，当奥伯斯发现前

4颗

小行星时，他主张，这些小行星是一颗爆炸了的行星所留下的残余

碎片。可是，其他的天文学家对这种可能性半信半疑。他们认为，

这些小行星很可能是一颗未形成的行星的前身。在其他的区域

里，一般的情形是，原始的星云物质逐渐聚合成星子（相当于小行

星），然后再慢慢聚合成单独的行星（最后聚合的那些星子会在行

星表面上留下环形山标志），但是在小行星带内，聚合永远不会超

过星子阶段。人们认为，这是附近巨大木星的摄动效应造成的。

到了

1866年，己发现的众多小行星足以表明，它们在这个间

隔里的分布并不均匀。有些区域没有小行星的轨道。在平均距离

太阳

37 000万公里（

23 000万英里）、44 000万公里（

27 500万英

里）、49 000万公里（

30 500万英里）、54 700万公里（

34 000万英

里）的地方没有小行星。美国天文学家柯克伍德

1866年指出，在

最新科学指南（上）

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这些轨道上，这些小行星绕太阳的公转周期是木星的公转周期的

一个简单分数。在这种情况下，木星对小行星所产生的摄动效应

会非常大，迫使在那里运行的小行星不是更靠近就是更远离太阳。

这些柯克伍德空隙更清楚他说明，木星影响广泛，而且能够阻止聚

合。

1906年，德国天文学家

M. 沃尔夫发现

588号小行星后，进一

步弄清了木星和小行星之间更为密切的关系。

588号小行星之所

以不寻常，是因为它运行的速度出人意料的慢，因此，它距离太阳

也必定出人意料的远。实际上，它是目前我们所知道的最远的一

颗小行星。它以特洛伊战争中的希腊英雄阿基里斯的名字命名。

（一般为小行星取名时都是以女性的名字为主，只对那些具有特殊

轨道的小行星才赋予男性的名字）。

仔细的观察证明，阿基里斯是在木星的轨道上运行，而且还超

前木星

60°。同一年的年底，又发现

617号小行星，也是在木星轨

道上，比木星落后

60°。617号小行星被命名为帕特罗克卢斯，在

荷马的史诗《伊利亚特》中，他是阿基里斯的朋友。后来发现这两

颗星附近又分别群集了许多小行星，所有这些小行星都以特洛伊

战争中的英雄人物来命名。木星、阿基里斯和帕特罗克卢斯是我

们首次发现的

3个天体分别位于等边三角形的

3个顶点上

①稳定运

行的实际例子。所以特别把这种状况称为特罗央位置，而这些小

行星则称为特罗央群小行星。阿基里斯及其星群在L-4位置，而

帕特罗克卢斯及其星群则占L-5位置。

看上去像是被木星俘获的那些木星外层卫星，可能曾经一度

是特罗央群小行星。

而土星最外层的土卫十和海王星外层的海卫二想来也可能是

被俘获的卫星，这表明在木星以外的区域至少也存在着零零星星

的小行星。或许它们原来都在小行星带中，由于某种摄动，被迫外

①此段含义应是：3个天体分别位于以太阳和木星连线为共同底边的

两个等边三角形的

3个顶点上。——

ken777注

第三章 太阳系

第三章 太阳系

移，终于被某个行星俘获。

例如，1920年，巴德发现了

944号小行星，他称之为希达尔

戈。当计算出它的轨道以后，发现它远在木星以外运行，公转周

期为

13.7年，是小行星平均周期的

3倍，甚至比木星的公转周期还

长。

944号小行星的轨道偏心率高达

0.66。在近日点时，它和太

阳仅相距

30 600万公里（

19 000万英里），所以它正好在小行星带

内；而在远日点时，和土星到太阳的距离差不多，高达

144 000万

公里（

89 500万英里）。但是，由于它的轨道倾斜很厉害，以至当它

在远日点时，它远在土星之下，因此没有被俘获的危险。然而在这

种抛得很远的轨道上运行的其他小行星，可能会更靠近土星，而最

终被土星或其他更外围的行星俘获。

难道没有一颗小行星因受引力摄动的影响永远在小行星带以

远的轨道上运行吗？1977年，美国天文学家科瓦尔发现了一个在

恒星背景上移动的非常暗淡的小光斑，但速度只有木星的

.。它

必定远在木星轨道之外。

科瓦尔继续追踪了它一段日子，计算出了近似的轨道，然后又

从以前的底片上重新寻找它。他在大约

30张底片上确定出它的

位置，其中有一张底片是

1895年拍摄的。这样他就能够画出这颗

新星的精确轨道了。

结果表明这是颗相当大的小行星，直径大约有

190公里（

120

英里）。最靠近太阳时，距离太阳大约和土星一样远，最远时可达到

天王星与太阳的距离。它虽然穿梭于土星和天王星之间，但由于

轨道是倾斜的，所以不会太靠近它们。

科瓦尔根据希腊神话中一个马人（半人半马）的名字，把它命

名为半人马星。它的公转周期是

50.7年，现在它在接近远日点的

途中。再过

20年，它和我们之间就会不到目前距离的一半，那时

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我们就可以更清楚地看到它了。

掠地小行星和阿波罗天体

如果说小行星会超越出木星轨道的话，那么难道就没有进入

火星轨道以内更靠近太阳的小行星吗？

第一个这样的例子是德国天文学家维特

1898年

8月

13日发

现的

433号小行星。它的公转周期仅有

1.76年，比火星的周期少

44天。因此，它与太阳的平均距离一定比火星的距离小。这颗新

小行星被命名为厄罗斯（中文定名为爱神星），后来发现爱神星的

轨道偏心率相当大。在远日点时，它深入小行星带中；但在近日点

时，和太阳相距仅

16 900万公里（

10 500万英里），比地球远不了

多少。因为它的轨道对地球的轨道倾斜，两个轨道不在同一平面

上，所以不会太接近地球轨道。

尽管如此，地球和爱神星在最接近的时候，相距仅

2 500万公

里（1 400万英里），比金星到地球的最小距离的一半略多一点，就

是说如果不考虑月球的话，在发现爱神星的时候，它是我们知道的

最近的空间邻居。

爱神星的体积并不大，由亮度来判断，它的形状像砖块，平均

直径约

16公里（

10英里）。虽然它这么小，却不可轻视。万一它

与地球相撞那将是无法想象的大灾难。

1931年，爱神星和地球相距仅

2 600万公里（

1 600万英里），

当时有一庞大的天文计划，要精确地测定它的视差，以便能够更精

确地测定出太阳系的距离。这个计划成功了；直到有了从金星反

射回来的雷达波束，才对这次测量的结果有所改进。

像这种能够比金星更靠近地球的小行星被称为掠地小行星

（略有夸张）。在

1898年～1932年，仅发现了

3颗掠地小行星，都

不像爱神星那样接近地球。

第三章 太阳系

第三章 太阳系

这个纪录直到

1932年

3月

12日才被打破。那一天，比利时

天文学家德尔波特发现了

1221号小行星。他发现，虽然这颗小行

星的轨道与爱神星的轨道相似，但它可以接近地球轨道至

1 600

万公里（

1 000万英里）。他把这颗新小行星命名为阿莫尔（厄罗斯

的拉丁名字）。

就在

6个星期之后，

1932年

4月

24日，德国天文学家莱因莫

斯又发现了一颗小行星，他命名为阿波罗（小行星

1862号），因为

它是又一个掠地小行星。令人惊讶的是，它的近日点仅有

9 650

万公里（

6 000万英里），不仅在火星的轨道以内，而且在地球轨道

以内，甚至在金星轨道以内。但它的轨道偏心率非常大，在远日点

时，和太阳距离

34 400万公里（

21 400万英里），比爱神星的最远

点还要远。它的公转周期也比爱神星多

18天。1932年

5月

15

日，阿波罗所在的位置仅和地球相距

1 094万公里（

680万英里），

还不到月球和地球距离的

30倍。这颗掠地小行星的直径不到

1.6

公里（

1英里），但是对“掠地”来说，这已经是够大的了；从那以后，

所有这种比金星更靠近太阳的小行星都称之为阿波罗天体。

1936年

2月，曾于

4年前发现小行星阿莫尔的德尔波特又发

现了一颗掠地小行星，他命名为阿多尼斯（小行星

2101号）。就在

被发现的前几天，阿多尼斯刚刚从距地球

240万公里（150万英

里）的地方经过，只是月球与我们之间距离的

6.3倍多一点。更有

甚者，它的近日点是

6 600万公里（

4 100万英里），在那个距离时

小行星离水星的轨道很近。这是发现的第二颗属于阿波罗天体的

小行星。

1937年

11月，莱因莫斯又发现了第三颗阿波罗天体，取名为

赫米斯（小行星，无号）。它曾在

80万公里（

50万英里）的地方掠

过地球，仅略大于月球距离的两倍。根据他掌握的资料，莱因莫斯

计算出了大致的轨道，从这条轨道来看，如果赫米斯和地球都在它

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们轨道上的适当位置的话，赫米斯会在离地球

306 000公里

（190 000万英里）以内的地方通过（小于月球的距离）。不过从那

以后再也没有观察到这颗小行星。

1949年

6月

26日，巴德发现了一颗更奇特的阿波罗天体。

它的公转周期为

1.12年，偏心率高达

0.827，是目前已知小行星

中偏心率最大的，在远日点时，它位于火星与木星之间的小行星

带中，但在近日点时，和太阳的距离只有

2 850万公里（

1 770万英

里），比任何行星（包括水星在内）都更接近太阳。巴德把它叫做伊

卡鲁斯（小行星

1566号）。在希腊神话中，伊卡鲁斯是个青年，曾

利用他父亲代达洛斯制作的翅膀飞入空中，因太靠近太阳，致使太

阳熔化了粘合羽毛的蜡，而被摔死，

从

1949年以来，又陆续发现了其他的阿波罗天体。有些公转

周期不足一年，并且至少有一颗在其轨道的任何一点上都比地球

更靠近太阳。1983年，甚至还发现了一颗比伊卡鲁斯更接近太阳

的阿波罗天体。

有一些天文学家估计，空间存在着大约

750颗直径大于

0.8公

里（0.5英里）的阿波罗天体，据估计，在今后的

100万年中，将有

4颗会撞上水星、火星或是月球；有

7颗可能会改变轨道，完全离

开太阳系。但是，阿波罗天体的总数会维持不变；也可能由于小行

星带中天体的引力摄动，新的阿波罗天体会不断地增加。

彗 星

彗星是太阳系中的又一族成员，有时会非常靠近太阳，在人

们的眼中，彗星是一种横跨天空、光线柔和、云雾状的天体，样子就

像我在第二章中提到的那种长着长尾巴或披散着头发的怪星，希

腊人称之为毛星，我们今天仍称之为彗星。

第三章 太阳系

第三章 太阳系

彗星不像恒星或行星那样沿着容易预测的轨道移动，而似乎

是来去无常，没有规律。在科学以前的时代，人们相信天上的星星

与人类息息相关，这些飘忽不定的彗星似乎与生活中的怪事有联

系，例如，未知的灾祸。

当天空出现彗星时，任何一个欧洲人都惊恐万状，直到

1473

年，情况才有改变。那一年，德国天文学家雷乔蒙塔努斯观察到了

一颗彗星，并夜复一夜地把它相对于恒星的位置都记录了下来。

1532年，两位天文学家，一位是意大利的弗拉卡斯托罗，另一

位是德国的阿皮安，仔细研究了那一年出现的一颗彗星，并且指出

它的尾巴始终是背向太阳的。

到了

1577年，第谷看到了一颗新出现的彗星，试图利用视差

法测定出它的距离。如果按照亚里士多德的说法，彗星是一种大

气现象，那么它的视差应该比月球的视差大。但是实验证明这个

说法错了，因为这颗彗星的视差太小了，根本测量不到。彗星远在

月球之外，必定是一种天体。

但是彗星的出没为什么会如此地不规则呢？

1687年牛顿提

出了万有引力定律之后，问题似乎清楚了，和太阳系中其他的天体

一样，彗星也应受太阳引力的束缚。

1682年，天空中又出现了一颗彗星，牛顿的一位朋友哈雷记

录了它越过天空的路径。在查阅早期的记录时，他想到，

1456年、

1531年和

1607年的彗星走了一条同样的路径，这些彗星每隔

75

年或

76年就会再来一次。

这使哈雷突然想到，彗星同行星一样绕太阳运行，但是在一个

非常扁的椭圆形轨道上。它们大部分时间在非常遥远的远日点那

部分轨道上，所以太远太暗无法看到，然后在比较短的时间内闪耀

着通过近日点附近的轨道。彗星只有在这一段短时间内才能被看

见；因为其他时间任何人也无法看到，所以显得来去不定。

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哈雷预言，1682年出现的那颗彗星到

1758年将会回来。虽

然生前他未能亲眼看到那颗彗星回来，但它真的回来了，

1758年

12月

25日首次被人们看见。由于它从木星附近通过时受到木星

引力的吸引使它减慢了速度，所以回来得稍迟了一点儿。从此这

颗特殊的彗星被称为哈雷彗星。后来它又于

1832年及

1910年回

来过，并预计

1986年还会再度出现。实际上，在

1983年初，当它

仍然非常遥远（但已开始接近地球）的时候，知道往哪里观察的天

文学家们就已经看到它的非常朦胧的身影了。

此后又计算出了其他一些彗星的轨道，不过它们都是在行星

系统内的短周期彗星。哈雷彗星的近日点在金星轨道以内，离太

阳只有

8 790万公里（5 460万英里），远日点则在海王星轨道以

外，离太阳

52.8亿公里（32.8亿英里）。

具有最小轨道的恩克彗星，公转周期为

3.3年。它的近日点

离太阳

5 050万公里（

3 140万英里），与水星的距离不差上下。远

日点则在小行星带的外层，离太阳

61 100万公里（

38 000万英

里）。它是我们所知道的惟一一颗轨道完全在木星轨道以内的彗

星。

但是长周期彗星的远日点都远在行星系统以外，大约每百万

年左右来太阳系一次。1973年，捷克天文学家科胡特克发现了一

颗引起大家关注的新彗星。原以为这颗彗星会格外明亮，实际上

并不很亮。在近日点，它距离太阳仅

3 770万公里（

2 340万英

里），比水星还近。但是，在远日点，竟退到

5 000亿公里（3 110亿

英里）之外，也就是相当于海王星与太阳距离的

120倍（如果轨道

计算正确的话），科胡特克彗星绕太阳公转一周要用

217 000年。

毫无疑问，还会有更大的绕行轨道的彗星。

1950年，奥尔特提出，从太阳向外延伸

6.4×1012～

1.29×1013公里（4×1012～8×1012英里）（科胡特克彗星远日点的

第三章 太阳系

第三章 太阳系

25倍）的广大空间，有上千亿个小天体，大部分直径为

0.8～8公

里（0.5～5英里）。它们的质量总和还不到地球的

1/8。

这种物质是一种彗星壳，是在将近

50亿年前形成太阳系时凝

聚的原始气体尘埃云遗留下来的。彗星与小行星的区别在于，小

行星本质上是岩石；彗星则主要是由冰样物质组成的，虽然在它们

通常与太阳的距离时像石头一样坚固，但一旦接近某种热源，很快

就会被蒸发（1949年，美国天文学家

F. L.惠普尔首先提出，彗

星基本上是冰样天体，有一个岩石的核，或者到处分布着砾石。这

个理论被人们称为脏雪球理论。）

在通常情况下，彗星呆在它们遥远的老家，以上百万年的公转

周期绕着遥远的太阳缓慢地运行，然而，如果有一个偶尔的机会，

由于碰撞或某些较近恒星的引力影响，有些彗星在非常缓慢地环

绕太阳公转中加快了速度，从而完全脱离了太阳系。其他的彗星

则速度缓慢，向着太阳运动，同时环绕太阳运行并回到它们最初的

位置，然后再次下落。当这些彗星进入太阳系内部并从地球附近

经过时，我们就能够看见它们。

因为彗星发生在一个球形的壳中，所以它们可以从任何角度

进入太阳系内部，而且逆行的可能性和顺行的可能性是一样的。

例如，哈雷彗星就是逆向运行的。

彗星一旦进入太阳系内部，太阳的热就会使组成彗星的冰样

物质蒸发，从而释放出陷入冰中的尘埃。蒸气和尘埃形成彗星周

围的朦胧大气（彗发），因而使彗星看上去像是一个巨大的有毛的

东西。

于是，在完全冻结的时候，哈雷彗星的直径可能只有

2.4公里

（1.5英里）。当从太阳附近经过时，在哈雷彗星周围形成的雾状

物，其范围直径可以高达

40万公里（

25万英里），所占体积超过巨

大木星体积的

20倍，但是雾状物中的物质散布得非常稀薄，同雾

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状真空一模一样。

从太阳发出的比原子（将在第七章中论述）还要小的微粒射向

四面八方。这股太阳风冲击围绕着彗星的雾状物，把它们向外吹

出一条长长的尾巴，这条尾巴可以比太阳本身的体积还要大，但其

中的物质散布得更加稀薄。当然，正如弗拉卡斯托罗和阿皮安

450年前所注意到的那样，这条尾巴总是背向太阳。

彗星每次绕过太阳，由于蒸发或从尾巴上流失，都会失去一些

物质。最后，在经过太阳

200次以后，彗星就全部分解成尘埃而消

失。或者，留下一个岩石的核（如恩克彗星部样），最后看上去不

过是一颗小行星。

在太阳系的漫长历史中，几百万颗彗星不是被加速从而被驱逐

出太阳系，就是被减速而落入太阳系内部，最后衰亡毁灭。但是仍

然还留有几万亿颗彗星，因此彗星没有绝迹的危险。

（朱 岚 译）

第四章 地 球

第四章 地 球

第四章 地球

地球的形状和大小

太阳系是由

1个巨大的太阳、

4个巨行星、

5个较小的行星、

40

多个卫星、10万多个小行星以及大概

1 000亿多个彗星组成的。

但是，据我们今天所知，这些天体中惟一有生命的就是我们的地

球。既然如此，现在我们就来讲一讲地球。

地球是圆球形的

古希腊人重要的文化成就之一就是他们断定地球是圆球形

的。他们最初是在哲理的基础上来表达这种思想的（通常认为这

种思想是毕达哥拉斯在大约公元前

525年时首先提出来的）。例

如，当时的哲理认为，圆球是完美的形状。希腊人也曾通过观察来

检验这种思想。公元前

350年左右，亚里士多德获得的结论性证

据证明，地球不是扁平的而是圆的。他最有说服力的论据是：当一

个人向北或向南行进时，新的星星总是在前方的地平线上出现，而

看到的星星总是在后面的地平线下消失。同样，出海的船只，不论

朝什么方向行驶，总是船身首先消失；在月食的时候，无论月球处

在什么位置上，地球在月球上的投影截面总是圆形。只有地球是

一个圆球时这后两种情况才能发生。

至少在学者们中间，圆球形地球的观念从来就没有完全消失

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过，即使在“黑暗时代”也是如此。意大利诗人但丁在他所写的集

中体现中世纪观点的《神曲》中，就设想地球是圆球形的。

当提出地球是一个转动着的圆球的问题时，情况就完全不同

了。早在公元前

350年，希腊哲学家赫拉克利德斯就提出，设想地

球绕其轴自转要比设想整个天穹绕地球公转容易得多。然而，大部

分古代和中世纪的学者拒绝接受这种想法；而且直到

1632年，伽利

略还被罗马宗教法庭判了罪，被迫放弃他的地球在运动的观点。

尽管如此，哥白尼的理论使地球静止的说法完全不能成立，地

球在缓慢旋转的理论逐渐为人们所接受。但是一直到了

1851年，

人们才通过实验真正证实了这种旋转。那一年，法国物理学家傅

科在巴黎大教堂的圆顶下安装了一个巨摆。根据物理学家们的结

论，不管地球怎样旋转，这样的巨摆都应该在一个固定的平面上保

持摆动。例如，在北极，这个摆将在一个固定的平面上摆动，而地

球在它的下面

24小时不停地逆时针方向旋转。对观察摆的人来

说（因为地球带着他旋转，所以在他看来地球是不动的），这个摆的

摆动平面似乎每

24小时顺时针方向整整转一圈。在南极，他会看

到同样的情况，只是摆的摆动平面是逆时针方向转动的。

在两极以下的各个纬度上，摆的平面仍会转动（在北半球顺时

针方向，在南半球逆时针方向），但离开两极越远摆动的周期越长

在赤道上，摆的摆动平面将没有任何变动。

在傅科进行实验的过程中，摆的摆动平面正好是按照上面所

说的方向和速率转动的。因此可以说，观察者能够亲眼看到地球

在摆的下面旋转。

地球自转带来许多影响。地表在赤道上移动得最快，24小时

必须绕完

40 000多公里的大圆圈，也就是说要以每小时

1 600多

公里的速度移动。当一个人从赤道往北（或往南）走的时候，地表

上的点必定会移动得越来越慢，因为在同样的

24小时内必需绕完

第四章 地 球

第四章 地 球

的圈越来越小。靠近两极的地方，圈子非常小；而在两个极点上，

地表一动不动。

地表上方的空气也随着地表一起运动。如果一个气团从赤道

向北移动，它自身的速度（与赤道上的地表运动速度相适应）会大于

它移向的那个地表的运动速度。它会超过由西向东运动的地表而

向东漂移。这种漂移就是科里奥利效应的一个实例，法国数学家科

里奥利于

1835年首先研究过这种效应，因此用他的名字命名。

这种科里奥利效应对气团所造成的影响，就是使气团在北半

球沿顺时针方向旋转；在南半球，这种影响正好相反，使气团产生

逆时针方向的旋转。无论哪种情况，都会形成气旋扰动。这种类

型的大风暴在北大西洋称为飓风，而在北太平洋则称为台风。在

这类风暴中，范围较小却更为强烈的是旋风或龙卷风。在海面上，

这些猛烈的旋转风会掀起巨大的海柱。

但是，在傅科实验之前两个世纪的牛顿时代，人们就从地球自

转中得出最令人兴奋的推论。当时，认为地球是一个完美圆球的

观念已经支配人们近

2 000年，但是牛顿却仔细地研究了这种圆

球旋转时所发生的情形。他注意到，在不同纬度上，地表运动的速

度不同，并且他考虑过这究竟意味着什么。

旋转越快，离心效应（即将物质从旋转中心推开的趋势）就越

强。因此，可以得出这样的结论，离心效应从静止的两极为零向着

快速旋转的赤道地带（达到最大）稳定地增加。于是，地球应在其

中部向外鼓起的最多；换句话说，地球应该是一个扁球体，赤道地

区鼓起而两极压扁。它必然大体上是一个橘子形而不是一个高尔

夫球形。牛顿甚至计算出，两极的压扁度应当约为地球直径的

1/230，令人惊讶的是这个计算结果与实际情况非常接近。

因为地球转得太慢，所以压扁和鼓起都很小，不容易被探测

到。但是，甚至在牛顿时代，至少已有两项天文观测结果支持了牛

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顿的推论。第一是科学家们清楚地看到木星及土星的两极明显压

扁的现象，这在前一章中已经说过了。

第二，如果地球真是在赤道地区鼓起，那么，由于月球在绕地

球运行过程中，大部分时间都位于地球赤道的南侧或北侧，因此月

球对赤道地区鼓起部分不断变化的引力吸引，应该使地球旋转轴

画出一个以地心为顶点的对顶锥，这样，两极指向天空的一个点在

不断地改变位置。这个点画出一个圆，而极点就是围绕这个圆每

25 750年整整转完一圈。事实上，早在公元前约

150年，喜帕恰斯

通过把他那个时代的星位与

150多年前纪录的星位加以比较，发

现了这种位移。地轴的位移会产生一种效应，使太阳每年通过二

分点时会向东移

50弧秒（在早晨的方向上）。由于二分点每年都

是这样到达一个先前的（即较早的）点，故喜帕恰斯把这种位移现

象命名为岁差，此名一直沿用至今。

科学家们很自然地开始搜寻地球畸变的更直接的证据。他们

使用一种标准仪器来解决几何问题（三角测量法）。在曲面上，一

个三角形的三个角的和大于

180°，而且曲率越大超过

180度的程

度也就越大。现在，如果地球像牛顿所说的那样是个扁球体，那

么，在赤道鼓起处曲率较大的曲面上比在两极附近曲率较小的曲

面上超过

180°的程度应该大一些。18世纪

30年代，法国的科学

家们分别在法国的北部和南部的一些地点进行过大规模的测量，

第一次检验了这个设想。法国天文学家

J. 卡西尼（指出木星和土

星呈压扁状的那位天文学家的儿子）根据这些测量结果断定，地球

是在两极而不是在赤道鼓起！用一个夸张的比喻来说，地球的形

状更像一根黄瓜而不是像一个橘子。

但是，法国北部与南部曲率的差异太小了，显然不足以给出明

确的结果。于是，在

1735年和

1736年，两个法国考察队分别出发

到两个相距遥远的地区——一队到赤道附近的秘鲁，另一队则到

第四章 地 球

第四章 地 球

接近北极的拉普兰。至

1744年，他们的测量得出了一个清楚的答

案：地球在秘鲁地区的曲率明显地大于拉普兰地区的曲率。

今天，最精确的测量表明，地球通过赤道的直径比通过两极的

地轴长约

43公里（约

12 754公里对

12 711公里）。

18世纪对地球形状的考察使科学界对测量技术的状况感到

不满。当时没有可供精确测量用的合适标准。这种不满是半个世

纪后（在法国大革命时期）采用米制的原因之一。米制是合理的并

且是科学地制定出来的。如今，全世界的科学家都满意地采用了

米制，而且除了美国之外，世界各国已经通用。

精确的测量标准十分重要。科学家们仍在继续作出很大努力

以改进度量标准。标准米和标准千克是由铂-铱合金（不发生化学

变化）制成的，非常小心地保存在巴黎郊区（主要是保持恒温，防止

其膨胀或收缩。）

人们发现像殷钢（由镍铁以一定的比例组成）这样一些新合金

几乎不受温度变化的影响。这种合金被用来制作更好的长度标

准。瑞士出生的法国物理学家纪尧姆因发现殷钢而获得

1920年

的诺贝尔物理学奖。

然而在

1960年，科学界放弃了长度的物质标准。国际度量衡

会议一致同意用稀有气体氪的各种特定变化所产生的光的微小波

长作为标准，严格地将其波长的

1 650 763.73倍定为一米（光的波

长的不变性比任何人造的东西要好得多）。现在这个长度标准比

以前的标准要精确

1 000倍。1984年，把米制与光速联系起来，将

米视为光在几分之一秒中所走的距离。

大地水准面的测量

经过整平处理的地球的海平面形状叫做大地水准面。当然

地球表面凹凸不平，很不规则，有高山、深谷等等。甚至在牛顿提

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出地球整个形状的问题以前，科学家们就曾设法测定这些局部的

偏离一个完美圆球（他们就是这样认为）的程度。他们使用了一种

悬摆装置。1581年，当伽利略还是一个

17岁孩子的时候，他就发

现，一个给定长度的摆，无论它的摆幅是短还是长，几乎总是在相

同的时间内完成一次摆动。有人认为，伽利略是在做礼拜时观察

比萨大教堂里摆动着的吊灯而得到这个发现的。比萨大教堂里是

有一盏灯，现在仍叫做伽利略灯，但那是直到

1854年才悬挂上去

的。（惠更斯把一个摆悬挂在一个钟的齿轮上，利用摆运动的恒定

性来使这个钟走得更准。1656年，他用这种方法设计了第一个现

代钟即祖父钟，一下子把计时的精确度提高了

10倍。）

摆的摆动周期既取决于摆的长度，也取决于重力。在海平面

上，一个长度为

99.314厘米的摆正好

1秒钟摆动一次，这是伽利

略的学生、法国数学家梅森

1644年计算出来的。一个摆的摆动周

期取决于某一给定地点的重力强度，人们利用这个事实来研究地

球的不规则性。例如，一个摆在海平面上摆动周期正好为

1秒，如

果在山顶上，摆动周期就会稍微多于

1秒，因为山顶离地心稍远，

因而重力略弱一点。

1673年，一支法国考察队到达了南美洲的北海岸（靠近赤

道），该队人员发现，在那个地方，即使在海平面上摆的摆动也慢

了。后来牛顿把这个发现作为赤道地区鼓起的证据，因为鼓起使

营地远离了地心，从而减弱了重力。在考察队到达秘鲁和拉普兰

证实了牛顿的理论以后，一位去拉普兰考察的队员、法国数学家克

来罗研究出一些根据摆的摆动快慢来计算地球扁率的方法。这样

一来，大地水准面或者地球的海平面形状就能够测定了，结果证

明，地球略微偏离一个完美的扁球体，各个地点相差不到

92米。

现今，重力也可以用重力仪来测量。重力仪是一种悬挂在非常灵

敏的弹簧下面的重物。该重物相对于背景上的标度所处的位置表

第四章 地 球

第四章 地 球

示它被下拉的力的大小，从而能够非常精细地测出重力的变化。

重力在海平面上的变化幅度约为

0.6%，当然，在赤道上重力

值最小。这种差异在日常生活中并不明显，但它会影响运动员的

成绩。奥运会上的成绩在一定程度上取决于举办奥运会的城市所

处的纬度（和高度）。

了解大地水准面的确切形状对精确制图是非常重要的。迟至

20世纪

50年代，只有

7%的陆地表面可以说是真正作过精确制

图。例如，原来并不知道纽约到伦敦之间的距离误差有

2公里，而

仅仅知道太平洋中一些岛屿之间的距离误差可达数公里。在现今

空中旅行和潜在的导弹瞄准的时代，这样的误差幅度是非常不利

的。目前已有可能进行真正精确的制图，但是说来也怪，这不是通

过地球表面的测量，而是采用新的天文学测量方法做到的。这些

新的测量的第一个装置是

1958年

3月

17日美国发射的先锋

1号

人造卫星。先锋

1号以

21 小时的周期绕地球运行。在运行的头

2

两年中，它绕地球的圈数已经超过在好几个世纪里用望远镜观测

过的月球绕地球运转的圈数。通过在特定的时间从地球上某些特

定的点观察先锋

1号的位置，就能够精确地计算出这些观察点之

间的距离。以前不知道各点的位置和距离误差为数公里，

1959年

用这种方法测定的误差小于

100米。（1960年

4月

13日美国发

射了另一颗名为子午仪

1-B号卫星，是为把这项测量扩展成一个

精确测定地球表面各点位置的系统而特意发射的一系列卫星中的

第一个，能够极大地改进和便利航空和航海。）

像月球一样，先锋

1号以不是处在地球赤道平面上的一个椭

圆形轨道绕地球运行。由于赤道鼓起地区的吸引，先锋

1号的近

地点经常移动，这一点也与月球相似。因为先锋

1号远比月球靠

近地球的鼓起处，而且比月球小得多，所以受影响的程度也较大；

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又因为它绕地球的圈数很多，所以人们可以很好地研究赤道地区

鼓起的影响。至

1959年，人们已经确定，先锋

1号的近地点移动

在北半球与在南半球不同，因此，这种鼓起部位相对于赤道来说并

不完全是对称的。赤道以南某些点的鼓起似乎比赤道以北某些点

的鼓起高出

7.6米（也就是离地心远了

7.6米）。进一步的计算表

明，南极离地心的距离比北极少

15.2米（从海平面算起）。

1961年，根据先锋

1号和先锋

2号（1959年

2月

17日发射）

轨道得到的更多的数据表明，赤道的海平面并不是一个完美的圆

圈。一些地方的赤道直径比另一些地方长

426米。

新闻报道一直把地球描写成“梨形”，把赤道描写成“鸡蛋形”。

实际上，这种偏离完美的平滑曲线的情形只有通过最精细的测量

才能觉察出来。人们从空间观看地球时，看不到任何像梨或像鸡

蛋的情形，而只看到一个完美的圆球。此外，对大地水准面的仔细

研究显示出许多稍具压扁和略微鼓起的地区，如果一定要形象地

描述地球的话，说它“凹凸不平”比较好。

最后，人们利用人造卫星，甚至采用直接详细拍摄地球表面照

片的方法，有可能绘制出误差仅为几米的世界地图。

飞机和轮船过去一般都是参照星座来确定其方位的，现在终

于可以通过接收导航卫星发射的信号来判断了。因为微波可以穿

透云和雾，所以不受气候的影响。就连在海面以下的潜水艇也可

以这样做。这样确定的方位非常精确，以致可以计算出一艘远洋

定期客轮的驾驶台和厨房之间位置的差异。

地球重量的测定

知道了地球的确切大小和形状就可以计算出它的体积。地球

的体积约为

1.083×1027厘米3。然而，要计算地球的质量就复杂多

了，但是牛顿的万有引力定律给了我们一些启发。根据牛顿定律，

第四章 地 球

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宇宙中任何两个物体之间的引力（

f）可以用下面的公式来表示：

gmm

f

=12

d2

式中

m1，和

m2是两个有关物体的质量，d是它们之间的距离（从

中心到中心），g是引力常数。

这个常数的值是多少，牛顿说不上来，但是，如果我们知道了

式中其他各项的值，我们只要把式中的各项移动一下就可以求出

g的值：

fd2

g=

mm

12

因此，在已知两个物体的质量和它们分开的距离的条件下，要求出

g值，只要测出这两个物体之间的引力就行了。麻烦的是，引力是

我们所知道的一种最弱的力，而且我们能够操作的一般大小的任

何两个物体之间的引力几乎是无法测定的。

虽然如此，1798年，英国物理学家卡文迪什终于设法进行了

这种测量。卡文迪什是一位富有而又神经过敏的天才。他一生过

着隐居的生活却做出了科学史上一些最精明的实验。他在一根长

杆的两头各装上一个质量已知的小球，再把这个哑铃状的奇妙装

置悬挂在一根细线上。然后，他在紧靠长杆两头的每个小球的附

近各放上一个较大的质量也已知道的球，这样，固定着的大球同悬

挂着的小球之间的引力会使水平悬挂的哑铃转动而扭转细线（见

图

4-1）。哑铃当然也会发生轻微转动。卡文迪什接着测量使细

线产生这样的扭转量需要多大的力。这样他就得到了

f的值。

他还知道

m1和

m2（大球和小球的质量）以及

d（相互吸引的两球

之间的距离）。所以他能够计算出

g的值。一旦算出了

g的值，

他就能够计算出地球的质量了，因为地球对任一给定物体的引力

都是可以测量出来的。就这样，卡文迪什第一次“称出”了地球的

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图 4-1卡文迪什测量引力的装置。两个小球被两个大球所吸引，

使悬挂两个小球的细线扭转。细线的这种微小扭转量由小镜子反

射到标度上的光的偏移量显示出来

重量。

此后的测量精度大为提高。1928年，美国标准局的物理学家

海尔测定 g的值为 0.000 000 066 73达因·厘米 2/克2，后来又精确

到 0.000 000 066 726达因·厘米 2/克2。你不必关心那些单位，但

要注意这个数字是多么小，而它就是度量微弱万有引力的标准。

如果有两个重 454克的物体相距 30.48厘米，那么它们相互间的

引力只有 10亿分之 14克。

在距离地心 6 371公里的地方，地球自身还能以 454克的力

吸引这样重的物体，这个事实有力地说明地球的质量是多么大。

事实上，地球的质量是 5.976×1027克。

根据地球的质量和体积，很容易求出地球的平均密度，计算的

结果是 5.518克/厘米3（是水密度的 5.518倍）。地球表面岩石的

第四章 地 球

第四章 地 球

密度平均为

2.8克/厘米3，因此，地球内部的密度一定比这大得

多。密度是不是从地表到地心一直在平稳地增加呢？由地震研究

得出的初步证据表明，情况并不是这样的，地球是由一系列不同的

层圈组成的。

地球的层圈

地震

能够在

5分钟之内使成千上万的人丧生的自然灾害并不多。

在这些自然灾害中，最常见的就是地震。

地球每年发生

100万次地震，其中至少有

100次严重地震和

10次灾害性地震。最残酷的一次可能是

1556年发生在中国陕西

省北部的地震，有

83万人死亡。其他伤亡惨重的地震也是发生在

远东。1703年

12月

30日日本东京地震，死亡

20万人；1937年

10月

11日印度加尔各答地震，有

30万人丧生。

虽然在那些年代科学正在西欧发展，但对在世界另一方发生

的事件并未加以注意。但是接着在非常靠近他们的地方发生了一

场大灾难。

1755年

11月

1日，里斯本城发生了可能是近代最强烈的一

次大地震，城南部的房子全部被毁。接着所谓的潮波也从海上涌

了进来。跟着又发生了两次地震，并引起大火。有

6万人丧生，里

斯本城一片破坏景象。

将近

400万平方公里的地区都感觉到了这次地震，对摩洛哥

和葡萄牙也造成了重大损失。因为那一天是万灵节，人们正在做

礼拜，据说整个欧洲南部在教堂里的人都看见教堂里的吊灯跳舞

般地摇晃。

里斯本灾难给当时的学者以极其深刻的印象。那是一个乐观

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的时代，许多思想家认为，伽利略和牛顿的新科学会给人类带来将

地球变为天堂的方法。这次打击表明，自然界还存在着一些巨大

的、无法预知而且很明显不是人类所能控制的破坏力。这次地震

激发了当时的大文豪伏尔泰的灵感，使他写下了著名的悲观主义

讽刺作品《天真汉》，讽寓世人不要认为在这个最美好的世界上一

切都会是美好的。

人们习惯地认为，干燥的陆地会因地震的影响而晃动，但是在

洋底下面的地壳也同样会发生振动，而且造成更大的破坏性后果。

这样的振动会在海洋中形成长而缓和的涌浪，这种涌浪到达大陆

附近的浅大陆架时，特别是被涌进港口的狭小区域时，就会形成高

大的水柱，有时高达

15米～30米。如果这种海浪在没有预报的

情况下突然袭来，成千上万的人就会被淹死。这种由地震引起的

波浪，通常被称为“潮波”，但这是一个误称。它们虽然与巨大的潮

汐相似，但它们的起因却完全不同。现在，人们称之为海啸。这个

名字源自日本，因为日本的沿海特别容易受到这种海浪的袭击。

在里斯本遭到地震加海啸的灾难之后，科学家们开始认真思

索造成地震的可能原因。古希腊最好的理论是亚里士多德提出来

的（当时还有人认为地震是由被囚禁在地下的巨人发怒造成的，我

们暂且撇开不谈），他认为地震是由气团引起的，这些气团被闷在

地下想逃逸出来。但是，现代科学家们认为，地震可能是地球内部

的热对固体岩石内部的应力发生影响的结果。

英国地质学家米歇尔（他研究过有关扭转的力，后来卡文迪什

就是利用这种扭转的力测量出了地球的质量）

1760年提出，地震

是地表以下数公里的岩体移动所造成的波动，而且他首先提出，海

啸是海底地震的结果。

为了更好地研究地震，必须制造出一种能发现并检测地震波

的仪器，这种仪器直到里斯本地震后

100年才被研制出来。1855

第四章 地 球

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年，意大利物理学家帕尔米里设计出第一台地震仪

①。

帕尔米里发明的仪器由一根两端上弯的水平管子并在管内装

一些水银组成的。只要地面震动，水银就从一端流到另一端。当

然，它不仅能够测到地震，而且能够测到其他任何一种振动，如附

近马路上马车的振动。

1880年，英国工程师米尔恩设计出一种更好的装置，这种装

置成为以后使用的地震仪的始祖。

5年前，他曾到东京教授地质

学与采矿，因为日本经常发生地震，所以他有很多机会进行研究，

这种地震仪就是他的研究成果。

米尔恩的地震仪形式非常简单，把一个重物挂在一个弹性较

弱的弹簧上，把弹簧的另一端装在一个支座上，再把支座牢牢地固

定在基岩上。当地球移动时，被悬挂的重物由于惯性而保持静止。

但是，固定在基岩上的弹簧则会随着地球的运动而略有伸缩。这

种运动的情形通过装在静止重物上的笔就可以记录在缓慢转动的

滚筒的烟熏纸上。现在实际上使用两块重物：一块记录南北走向

的地震波；另一块记录东西走向的地震波。一般的振动，因为不是

源自于基石，所以对地震仪没有影响。现今，最精密的地震仪，如

福德姆大学的地震仪，用光束代替笔，以避免笔在纸上产生摩擦阻

力。光束照射在感光纸上，使这些痕迹经显影变成照片。

米尔恩推动世界各地特别是日本建立起一些地震及相关现象

的观测台。到

1900年，地震观测台已有

13个，现在有

500多个，

分布在各大洲，包括南极洲在内。在其中第一个观测台建成后不

到

10年的时间里，就证实米歇尔关于地震是由通过地球体传播的

震波引起的论断是正确的。

①我国东汉时期科学家张衡在公元

132年创制的候风地动仪是世界

上最早的地震仪器。——译注

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对地震这种新的了解并不意味着地震发生的频率减少或者地

震灾情减轻。事实上，在

20世纪

70年代发生了多次严重地震。

1976年

7月

28日，中国的一次地震毁掉了北京以南的一个

城市，约有

65万人丧生

①。这是自

400年前陕西地震以来最严重

的一次地震灾害。在危地马拉、墨西哥、意大利、菲律宾、罗马尼亚

和土耳其也发生了严重地震。

这些地震并不表示我们居住的地球越来越不稳定。现代的通

信方法能够保证我们听到世界各地发生的一切地震——通过电视

往往还可以看到地震的现场。而在过去（甚至一二十年以前），对

远方的灾难未予报导或未曾注意到。更重要的是，现在的地震灾

害很可能比过去（甚至

1个世纪以前）的严重，因为现在地球上的

人口越来越多，城市的人口更加密集，同时因为人造的容易被地震

破坏的建筑物数量极大而且花费极多。

因此，人们更有理由要求研究出预报地震的方法。地震学家

正在寻找各种明显的变化。有些地方地面可能隆起。岩石可能被

拉开或挤在一起，往里吸水或把水挤出来，因此井水的升降可能会

很明显。岩石的天然磁性和电导率也会发生变化。动物可以觉察

到微小的振动或环境变化，人类则因为太忙而对这些未加注意，因

此动物在震前会有紧张的反应。

中国人特别喜欢收集所有异常现象的报告，甚至连油漆剥落

的现象也收了进去，据报道，对中国东北

1975年

2月

4日发生的

一次地震

②事先作了预报。于是人们离开他们的家到城外空旷的

地方，因此拯救了数千人的性命。但是，1976年那次更为严重的

地震却没有预测出来。

①指唐山一带的地震，死亡

242 000人，重伤

164 000人。——译注

②指辽宁省海城地震。——译注

第四章 地 球

第四章 地 球

除非预报比现在的更准确，否则预报会得不偿失，这种说法也

不无道理。错误的警报会干扰生活，引起经济混乱，所受的损失比

一次小的地震还要大。而且，在作出一两次错误的预报之后，正确

的预报也可能被忽视。

一次地震所能造成的破坏非常惊人。据估计，最大的地震释

放出来的全部能量等于

10万个普通原子弹或者

100个大型氢弹。

只是因为地震的能量分散在大片的地区，所以才没有那么大的破

坏力。地震能使地球像一个巨大的音叉那样振动。

1960年智利

大地震就使地球以每小时不到一次的频率振动（比中音阶

C低

20

个八音程，因此根本听不到）。

地震烈度是以

0~9的震级来测量的，每一级所代表的释放能

量大约是比它低的一级所释放能量的

30倍。（到目前为止，还没

有记录到烈度超过

9级的地震，但

1964年阿拉斯加大地震记录下

的烈度为

8.5级。）这种震级叫做里克特震级，因为它是美国地震

学家

C. F. 里克特

1935年提出的。

地震有一个令人安慰的方面，就是并不是整个地球表面都会

同样地受到地震的威胁（尽管这对生活在地震危险地区的人起不

到安慰作用）。

大约

80%的地震能量释放在靠近浩瀚的太平洋的地区。另

外有

15%释放在跨越地中海的一条东西向的地带中。这些地震

带（见图

4-2）与火山区有着密切的联系——这正是地球的内部

热效应与地震伴生的一个原因。

火山

虽然在大多数情况下火山的影响局限于较小的区域，但火山

仍然和地震一样是一种可怕的自然现象，而且持续的时间更长。已

经知道历史上活动过的火山大约有

500座，其中

2/3发生在太

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第四章 地 球

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平洋边缘。

在极少数情况下，当火山捕获大量的水并使之过热时，就会发

生骇人的灾难。1883年

8月

26日至

27日，位于苏门答腊和爪哇

之间海峡中的东印度喀拉喀托小火山岛上爆发出一声巨响。这声

巨响被形容为有史以来地球上发出的最大声响，在距离

5 000公

里的地方人们凭耳朵就能听到，而且全世界的仪器都可以收到。

这次发出的声波绕地球转了好几圈。大约有

21立方公里的岩石

被粉碎并抛向空中，散落在

77万平方公里的地区。火山灰使数百

平方公里的天空昏暗无光，而留在同温层的灰尘几年内使日落的

景色格外辉煌。

30多米高的海啸使爪哇和苏门答腊沿岸的

36 000名居民丧生，这次海啸世界各地都容易探测到。

3000多年前在地中海可能发生过类似的事件，后果更为严

重。1967年，美国考古学家在克里特以北

130公里的锡拉岛上发

现了一座被火山灰覆盖的城市遗址。显然，大约在公元前

1 400

年，这里有同喀拉喀托岛一样的一次火山喷发，而且力量更大，声

音可能更响，因而造成的灾害更为惨重。由此引起的海啸袭击了

克里特岛。当时克里特岛是一种历史悠久并令人赞美的文明的摇

篮。这次致命的打击使这种文明再也没有复兴起来。克里特人对

大海的控制完全消失了，继之而来的是一个动乱而黑暗的时期；恢

复工作延续了好几个世纪。锡拉岛突然消失的景象一直留在幸存

者的脑海中，它的故事经过人们的艺术加工一代一代流传下来。

在锡拉和克里特文明灭亡以后大约

11个世纪，柏拉图讲述的亚特

兰蒂斯岛的故事可能就是由此引起的。

世界历史上最有名的一次火山喷发如果与喀拉喀托岛和锡拉

岛的火山喷发相比也许是很小的。这就是发生在公元

79年的维

苏威火山喷发（在此之前人们认为这是一座死火山），这次喷发掩

埋了罗马的两个胜地——庞培城和赫库尔兰努姆城。著名的百科

第四章 地 球

第四章 地 球

全书编纂家普林尼就是死于这次灾难，这是他的侄子小普林尼亲

眼所见而记载下来的。

1763年以后对这两座被掩埋的城市开始进行认真地发掘。

这为人们研究在古代最繁荣时期存在的一个城市的比较完整的遗

迹提供了一次难得的机会。

另一种不寻常的现象就是平地上突然出现一座新火山。

1943

年

2月

20日在墨西哥就看到了这种可怕的事情。那一天，在墨西

哥城以西

320公里的一个村庄（帕里库廷）的一块一直非常平静的

玉米地里，一座火山冒了出来，

8个月的时间内就形成了一个高达

460米的火山灰堆。当然这个村子只好放弃了。

总的来说，美国人对火山喷发一直没有清楚的认识，因为火山

似乎都发生在外国。诚然，最大的活火山在夏威夷岛上，这个岛已

归属美国

80多年，成为美国的一个州也已有

30多年。岛上的基

拉韦厄火山有一个面积为

10.36平方公里的火山口，经常喷出熔

岩。但这些喷发从来不是爆发性质的，熔岩周期性地溢出，流动缓

慢，很少危及生命，当然有时也会毁坏部分财产。

1983年这座火

山格外活跃。

喀斯喀特山脉沿着太平洋海岸线分布（深入内陆约

160公

里～241公里），从美国加利福尼亚州北部延伸到加拿大不列颠哥

伦比亚省南部，有许多著名的山峰，如胡德山和芒特雷尼尔，都是

已知的死火山。因为它们不活动，所以人们很少注意，但是一座火

山可以停止活动数百年，然后突然喷发，恢复活力。

华盛顿州中南部的圣海伦斯火山使美国人对这个事实有了清

楚的认识。在

1831年～1854年，这座火山曾经是一座活火山，但

是当时在那里居住的人不多，因此详细情况不清楚。在以后的

103年中，这座火山一直非常平静。但是

1980年

5月

18日，在一

阵隆隆的响声和震动以后，火山突然喷发。有

20人没有注意要求

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离开这一地区的最初警告而丧生，据报道有

100多人失踪。从那

时起这座火山一直活动着，虽然火山喷发不是那么大，但这是长久

以来美国相邻

48个州的第一次火山喷发。

火山喷发所造成的不只是直接的生命伤亡。在巨大的火山喷

发中，大量的灰尘被抛到高空进入大气层，可能要经过多年这些灰

尘才会沉落。在喀拉喀托火山喷发后，由于灰尘长时期使落日的

光线发生散射，因此呈现出灿烂的日落景象。这些灰尘能够反射

阳光，使到达到地球表面的太阳热量一度减少，因而会产生一种不

利的影响。

有时延迟效应影响区域较小，但破坏性很大。

1783年，冰岛

中南部的拉基火山喷发。在两年的喷发中，熔岩的最终覆盖面积

达

570平方公里，但直接损失很小。然而，火山灰和二氧化硫几乎

喷散到整个冰岛，甚至到达苏格兰。火山灰使天空变暗，农作物因

得不到阳光而死亡。二氧化硫气体使岛上

3/4的家畜死亡。没有

了农作物，动物也死了，有

10 000名冰岛人（占冰岛总人口的

1/5）

饿死或病死。

1815年

4月

7日，爪哇以东一个小岛上的坦博拉火山喷发。

154立方公里的岩石和灰尘被喷向高空大气层。因此，阳光被反

射的程度比平时大得多，地球上的温度有一年左右比往常低。例

如，在新英格兰，1816年特别冷，那一年每月都有一阵冰冻，甚至

7、8月份都有冰冻，因此被称为“没有夏天的一年”。

有时火山造成直接伤亡，但不一定是由熔岩甚至火山灰造成

的。1902年

5月

8日，西印度群岛马提尼克岛上的培雷火山喷

发，产生了由炽热气体和浓烟组成的一层厚云。这些气体顺着山

坡快速下泻，并且一直向着这个岛上的主要城镇圣皮埃尔飘去。

结果在

3分钟内，城内

38 000人窒息而死。惟一的幸存者是关在

地下监牢的一名罪犯，如果不发生这次意外的话，他将在当天被处

第四章 地 球

第四章 地 球

以绞刑。

地壳的形成

关于火山及其在形成大部分地壳中的作用的近代研究，起始

于

18世纪中叶的法国地质学家盖塔。18世纪末，德国地质学家

维尔纳有一个时期曾单枪匹马地提倡一种错误的观念，他认为，大

部分岩石是在地球表面都是大海沉积时而成的（水成说）。但是，

绝大多数证据，特别是赫顿提出的证据，使人们确信，大部分岩石

都是通过火山作用形成的（火成说）。火山和地震似乎都是地球内

能的表现形式，这种内能主要来源于放射性（见第七章）。

当地震仪使人们能够仔细研究地震波时，人们发现最容易研

究的地震波可分为两大类：面波和体波。面波沿着地球的曲面行

进；体波穿过地球内部。因为体波走的是捷径，所以一般总是先到

达地震仪。这些体波又可以分为两种：纵波（

P波）和横波（

S波）

（图

4-3）。同声波一样，纵波是通过介质的交替压缩和膨胀而传

播的（就像拉手风琴那样交替地推合与拉开）。这种震波可以通过

任何介质——固体或液体。相反，横波则以人们所熟悉的蛇行的

方式蜿蜓前进，蜿蜓的方向垂直于前进的方向。横波不能通过液

体或气体。

纵波比横波传播得快，因此先到达地震台。根据横波的时滞，

就可以计算出地震的距离。地震的地点或震中（岩石扰动正上方

地面上的点）可以利用

3个或

3个以上地震台所测得的距离数据

准确地确定出来：用这三个半径画出的三个圆在一个点上相交。

实验室研究表明，不论是纵波还是横波，其速度都受岩石种

类、温度和压力的影响。因此，可以把地震波作为了解地表深处情

况的探测器。

纵波在地表附近传播的速度为每秒

8公里；从到达的时间来

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图 4-3地震波在地球内部的传播路线。面波沿地壳传播。液态地核

使体波的纵波折射。横波不能穿过地核

判断，在地表以下 1 600公里深处，纵波速度必定接近每秒 13公

里。同样，横波在地表附近的速度小于每秒 5公里，在 1 600公里

深处，速度为每秒 6.4公里。因为速度增加是密度增加的一种度

量，因此，我们可以计算出地表下面岩石的密度。前面已经讲过，

地球表面的平均密度为 2.8克/厘米3；在 1 600公里以下，达到 5

克/厘米3；在 2900公里以下，接近 6克/厘米3。

在 2 900公里的深处，有一个突然的变化。低于这个界面，横

波不再传播。因此， 1906年，英国地质学家奥尔德姆认为，这个界

面以下的区域是液态的；地震波已经到达液态地核的边界。同时，

第四章 地 球

第四章 地 球

纵波到达这一界面的传播的方向急剧改变；显然，纵波进入液态地

核时被折射。

液态地核的边界以美国地质学家古滕贝格的名字命名，称为古

滕贝格不连续面。

1914年，古滕贝格确定了这个边界，并证明液态

地核从地心向外延伸

3 475公里。1936年，澳大利亚数学家布伦根

据地震数据计算出了地球各个深层的密度。

1960年，智利大地震提

供的数据证实了他的计算结果。因此我们可以说，在古滕贝格不连

续面上，物质密度由

6克/厘米3直接增加到

9克/厘米3，因而到达

地心时密度平稳地增加到

11.5克/厘米3。

液态地核

液态地核的性质是怎样的呢？在地核的温度和压力条件下，

它一定是由密度为

9～11.5克/厘米3的物质组成的。据估计，地

核的压力介于顶部的

1 550吨/厘米2与地心的

3 880吨/厘米2之

间。地核的温度知道得还不确切。根据已知的深矿坑中温度随深

度增加的比率以及岩石的导热率，地质学家们估计（粗略地），液态

地核的温度一定高达

5 000℃。（比地球大得多的木星的中心温度

可能高达

50 000℃。）

地核的物质一定是某种常见元素，这种元素是如此普遍以致

足以组成一个有地球一半直径并有其

1/3质量的圆球。宇宙中

最常见的惟一重元素就是铁。在地表，铁的密度只有

7.86

克/厘米

3；但是在地核的巨大压力下，它的密度会达到

9～12克/

厘米3，而且在地球中心的条件下，它会呈液态。

如果需要的话，陨石可以提供更多的证据。陨石可以分为两

大类：一类是主要由硅酸盐组成的石陨石；另一类是由大约

90%

的铁、9%的镍以及

1%的其他元素组成的铁陨石。许多科学家相

信，陨石是被粉碎的小行星的残余物，其中一些残余物可能很大，

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以至可以分裂为金属部分和石质部分。如果是那种情况的话，金

属部分一定是镍-铁，因此地球的金属核心可能也是镍

-铁。（实际

上在

1866年，也就是远在地震学家探测地核之前，法国地质学家

多布雷根据铁陨石的成分就认为地核是由铁组成的。）

就地球的构造来说，今天大多数地质学家都承认液态镍-铁地

核是一个基本常识。但是，有人对此提出了一项重大改进。

1936

年，丹麦地质学家莱曼试图解释以下一个令人困惑的事实，即一些

纵波出现在大部分纵波都不能进入的地核表面上的一个影区内。

他提出，在距地心大约

1 300公里的地核范围内有一不连续面，使

纵波再次发生偏折，因而将一些侧倾的纵波送入影区。古滕贝格

支持这个观点，而现在大多数地质学家把地核分为外核和内核，外

核是液态镍-铁，内核与外核有所不同，可能是固态的，或者在化学

成分上略有不同。

1960年，智利大地震使整个地球发生缓慢振

动，其振动频率与在考虑到内核的情况下所预测的频率相符。这

是支持内核存在的有力证据。

地幔

包围着镍-铁核心的那一部分地球称为地幔。地幔可能是由

硅酸盐组成的，但是由地震波通过地幔的速度来判断，正如美国物

理化学家

L. H.亚当斯

1919年首先指出的那样，这些硅酸盐与

地表上的典型岩石不同。这些硅酸盐的性质表明，它们是所谓的

橄榄石型（橄榄绿色）的岩石，相对来说富镁和铁而贫铝。

地幔并不是一直延伸到地表。南斯拉夫克罗地亚的一位名叫

莫霍诺维奇的地质学家，在研究由

1909年巴尔干地震产生的地震

波时，断定地表下面大约

32公里的一个点上地震波的速度急剧增

加。这个莫霍洛维奇不连续面（简称莫霍不连续面）现在被公认为

地壳的边界。

第四章 地 球

第四章 地 球

地壳和上地幔的性质可以利用前面提到的面波进行详尽的研

究。同体波一样，面波也可分为两种：一种是洛夫波（以其发现者

洛夫的名字命名），这种波是横波，形状像在陆地上爬行的蛇；另一

种是瑞利波（以英国物理学家瑞利勋爵的名字命名），这种波是纵

波，形状像神话中的海蛇在水中游动的路径一样。

对这些面波的分析（特别是哥伦比亚大学尤因的分析）表明，

地壳在各个地方的厚度不同。在海洋盆地下面地壳最薄，有些地

方莫霍不连续面仅在海平面以下

13~16公里的地方。由于海洋

本身在某些点上深达

8~11公里，因此，在海渊以下的地壳可能只

有

5公里厚。另一方面，在大陆下面，莫霍不连续面所在的平均深

度大约是海平面以下

32公里（例如，在纽约市下面大约为

35公

里），而在山脉下面可深达

64公里。这个事实加上重力测量所得

到的证据表明，山脉岩石的密度比普通岩石的低。

总的来说，地壳是由玄武岩和花岗岩两种主要岩石组成的一

种结构，密度较小的花岗岩浮在玄武岩上，形成大陆，并在花岗岩

特别厚的地方形成山脉（就像大冰山浮出水面比小冰山高一样）。

年轻山脉把花岗岩根部深深地推进到玄武岩中，但是，随着山脉被

侵蚀，花岗岩根部就会由于慢慢向上浮动而自行调整（这种保持质

量平衡的现象叫做地壳均衡，这个名称是美国地质学家达顿

1889

年提出来的）。阿巴拉契亚山脉（一个非常古老的山脉）的花岗岩

根部差不多完全浮上来了。

在大洋下面的玄武岩上面覆盖着一层厚约

0.4~0.8公里的

沉积岩，但几乎没有或完全没有花岗岩，例如，太平洋洋盆就完全

没有花岗岩。大洋下面的地壳薄，这使人们设想出一个惹人注目

的计划：为什么不可以钻一个穿过地壳直达莫霍不连续面的孔，将

地幔物质取出，看看地幔到底是由什么东西组成的呢？这决不是

一件容易的事，因为这意味着，首先要在大洋很深部位的水面上停

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泊一条船，再把钻杆放进几公里深的海水里，然后钻透从来没有人

钻过的非常厚的岩石。对这个计划的早期热情已经消失，现在这

件事已被搁置一旁了。

花岗岩“漂浮”在玄武岩上，这种现象使人们联想到大陆漂移

的可能性。1912年，德国地质学家魏格纳提出，所有大陆最初都

是一整块花岗岩，他称之为“联合古陆”（意为“整个地球”）。在地

球历史的某个早期阶段，这块花岗岩破裂，各大陆才漂移开去。他

论证说，各大陆仍在漂移中，例如，格陵兰正以每年

0.914米的速

度远离欧洲。南美洲东海岸的形状和非洲西海岸的形状看上去像

玩具拼板一样相符，主要是这个事实使魏格纳（还有其他科学家，

如早在

1620年的

F.培根）产生了这种想法。

在半个世纪里，魏格纳的理论一直受到冷遇。直到

1960年，

当本书的第

1版出版时，根据当时地球物理学家的普遍意见，我仍

认为全然否定这一理论是合理的。反对这一理论的最有说服力的

论据是，不论是大洋还是大陆下面的玄武岩都太坚硬了，根本不容

许大陆花岗岩从它那里漂移过去，即使花岗岩漂移几百万年也漂

移不过去。

然而，支持这一理论的证据给人的印象越来越深刻。这个证

据就是，大西洋过去并不存在，而被大西洋分开的大陆曾经是一个

整体。如果不是以它们实际的海岸线（现代海平面的偶然情况）而

是以大陆坡的中心点（与海平面低的时期出露的大陆相毗连的浅

的洋底）把两岸的大陆拼合起来的话，那么，整个大西洋沿岸，不论

是北部还是南部，都能完美地拼在一起。其次，非洲西部一些地方

的岩系与南美洲东部一些地方的岩系也完全相符。还有，如果认

为是大陆而不是磁极在漂移的话，人们就不会对过去磁极的漂移

感到那么惊讶了。

联合古陆及其分裂不只是有地理上的证据。生物方面的证据

第四章 地 球

第四章 地 球

更为有力。例如，

1968年，人们在南极洲发现了一种已经灭绝的

两栖动物的一块长

6.4厘米的骨化石。这种两栖动物根本不可能

在离南极那么近的地方栖居过，因此，南极洲一定曾经位于离南极

较远的地方，至少气温应该暖和一些。这种两栖动物连一条狭小

的咸水沟也游不过去，由此可以推断，南极洲一定曾经是二个具有

温暖区域的更大的陆块的一部分。总的说来（我将在第十六章中

再谈），这块骨化石提供的证据与联合古陆曾一度存在后来分裂的

说法非常吻合。

在这里着重讲一讲地质学家反对魏格纳的论据是很重要的。

在科学边缘区域拼命工作的人，由于专心于新的研究（在某些时候

和某些情况下的确是这样，但从未达到所声称的“边缘”理论的程

度），往往以科学家们经常持有的那种固执己见的态度为他们的没

有把握的理论进行辩护。他们经常以魏格纳和他的大陆漂移理论

为例，但是在这一点上他们错了。

地质学家并不反对联合古陆及其分裂的观念。实际上，为了

说明地球上生物的分布方式，人们提出了各种更为激进的建议，这

些建议被认为是有希望的。他们所反对的是魏格纳提出的具体机

制——巨大的花岗岩断块从玄武岩“海洋”上漂移过去的观点。反

对这一观点是有严谨理由的，这些理由即使在今天仍然成立。大陆

不是在玄武岩上漂移的。

然而，必须有另外一种机制来说明地理和生物所表示的大陆

位置变化——一种更有说服力而且有证据的机制。我将在本章的

后面讨论这种证据，但是大约在

1960年，美国地质学家

H. H.赫

斯根据一些新的发现提出一个合理的设想，他认为，熔融的地幔物

质可能会涌上来——例如沿着大西洋洋底的某些断层缝涌上

来——而在地幔顶部附近被推向一旁，冷却和硬化。洋底就这样

被拉开和伸展。因此，不是大陆漂移，而是这些大陆被扩张的海底

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所推开。

现在看来联合古陆似乎确实存在过，而且在

2.25亿年前，在

恐龙开始繁盛的时代，似乎还是完整的。根据动、植物的演化和分

布情况来判断，联合古陆是在大约

2亿年前才开始明显分裂的。

联合古陆当时分裂成三部分：北部（北美洲、欧洲和亚洲）称为劳亚

古陆；南部（南美洲、非洲和印度）称为冈瓦纳古陆（冈瓦纳一名取

自印度一个地区的名称）；南极洲和大洋洲组成第三部分。

大约

6 500万年前，当时恐龙已经灭绝，哺乳动物正统治地

球，在西部南美洲与非洲分离，在东部印度与非洲分离后移向南

亚。最后，北美洲与欧洲分开，印度板块与亚洲板块相撞（在交接

线上形成喜马拉雅山脉），大洋洲则离开了南极洲，于是形成了我

们现在所看到的大陆分布情况（有关大陆的变化情况，见图

4-4）。

月球的起源

早在

1879年，英国天文学家

G. H.达尔文（进化论的创立者

C. R. 达尔文的儿子）就对地球在各个地质时代可能发生的变化

提出了一个更加令人惊讶的设想，他认为，月球是早期从地球上分

离出去的，太平洋就是那次分离留下的痕迹。

这是一个颇为吸引人的想法，因为月球仅占地球和月球总质

量的

1%多一点，而且直径很小，完全可以放进太平洋中。如果月

球是由地球的外层物质组成的话，那么，月球没有铁核、密度比地

球低得多以及太平洋洋底没有大陆花岗岩等问题就都可以得到解

释了。

然而，根据各种理由来看，月球从地球分离出去的可能性似乎

不可能存在；天文学家和地质学家今天几乎都不认为过去发生过

这样的事。尽管如此，月球在过去似乎确实比今天更接近地球一

些。

第四章 地 球

第四章 地 球

图 4-4地质时代

不论在海洋中还是在固体地壳内，月球的引力都会引起潮汐。

因为地球的自转，海水掠过浅海区；随着潮汐的升降，各个岩层也

一同经受摩擦。这种摩擦代表地球的自转能量被缓慢地转换成热

能，因此地球的自转周期逐渐增加。这对人类来说影响并不大，因

为大约要 62 500年一天才增加 1秒钟。虽然地球失去自转能，但

角动量必须守恒。因此，地球失去的能量被月球获得。于是，月球

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在绕地球公转中速度增加，这意味着月球非常缓慢地向远方漂移。

如果我们能回到遥远的地质时代的话，我们会发现地球的自

转一定很快，一天的时间明显地变短，月球明显地靠近，整个效应

都随之加快。

G. H.达尔文曾往回推算，想求出月球与地球靠近

到能形成一体的时刻；尽管我们并不想推算那么远，但是我们应该

找出过去一天的时间比现在短的证据。例如，大约

5.7亿年

前——最古老的化石时代——一天可能只有

20小时多一点，而一

年可能有

428天。

现在这已经不是一个单纯的理论问题了。某些珊瑚产生碳酸

钙带在一些季节比另一些季节活跃，因此人们可以像数树干上的

年轮一样来数珊瑚的年带。还有人提出，有些珊瑚产生碳酸钙带

在白天比夜间活跃，因此有非常细的日带。1963年，美国古生物

学家

J. W.韦尔斯数了数化石珊瑚上的微细日带，他报告说，4亿

年前的珊瑚中平均每条年带有

400条日带，而在

3.2亿年前的珊

瑚中每条年带只有

380条日带。

当然，现在的问题是，如果当时月球离地球比现在近得多，而

且地球也比现在自转得快，那么在更早的时期情况又是怎样的呢？

如果不是

G. H.达尔文理论中所说的地球和月球分离的情形，那

又会是一种什么样的情形呢？

一种设想是，月球在过去的某个时期被地球俘获过。例如，如

果它是在

6亿年前被俘获的话，那么，就可以说明为什么我们能够

在岩石中找到无数个可以追溯到那个时期的化石，而更早时期的

岩石只含有不能确定的痕量的碳。或许在月球被俘获时伴随的巨

大潮汐把这些更早期的岩石冲刷干净了（当时还没有陆地生物，如

果有的话，也会被毁灭）。如果月球被地球俘获过，那么，月球当时

离地球会比现在近，而且从那时起，会有一个月球后退和天变长的

过程，但是以前并没有这类事情发生。

第四章 地 球

第四章 地 球

另一种设想是，月球是由相同的积聚在一起的尘埃云在地球

附近形成的，从那时起一直在后退，但从来没有真正成为地球的一

部分。

20世纪

70年代，许多人乐观地认为，对宇航员从月球带回的

月岩进行研究和分析，可能会使问题得到解决，然而并非如此。例

如，月球表面覆盖的玻璃碎片，在地球表面从未发现。月壳完全没

有水，而且在比较低的温度下能熔化的物质很少，比地球上还少。

这表明月球可能有一个时期一直处在高温之下。

于是，有人假设，月球在形成时期曾经有一个非常扁的轨道，

远日点约在目前到太阳的距离，近日点则在水星轨道附近。它可

能这样运行了几十亿年，然后月球、地球以及可能还有金星的位置

配合起来，结果月球被地球俘获。月球放弃了其小行星的位置，成

为一颗卫星，但月球表面仍有其早期类似水星近日点的痕迹。另

一方面，玻璃可能是陨星撞击月球时所产生的局部热形成的，陨星

撞击使月球上出现了许多月坑。或者，月球从地球上分裂出去时，

由这一激烈事件所产生的热形成了玻璃，这种情况是不大可能的。

实际上，关于月球起源的所有设想似乎都是不可能的；而且科

学家们抱怨说，如果仔细考虑月球起源的证据的话，那么，惟一可

能的结论只能是，月球根本不该出现在那里。但是，这个结论正好

说明他们应该继续搜寻另外的证据。这个问题的答案一定会找

到。

液态地球

地球由两个主要部分组成——硅酸盐地幔和镍-铁地核（组成

比例与鸡蛋的蛋白和蛋黄的比例大致相同）——这一事实使大多

数地质学家认为，地球在其早期历史中必定有一个时期为液态。

那时地球可能是由两种不互溶的液体组成的。因为液态硅酸盐比

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较轻，所以浮在顶层，将热散发到空间，从而冷却。下面的液态铁

不直接暴露于空间，所以放热慢得多，故至今仍为液态。

甚至从完全冷的以微星聚合体的形式出现的时期开始，地球

就至少存在着三种途径可以热到足以熔化的程度。首先，这些微

星体在碰撞和聚合时，以热的形式放出其动能。其次，地球在成长

过程中被引力压缩，更多的能量仍以热的方式释放出来。第三，地

球的放射性物质——铀、钍和钾——在其衰变过程中也会放出大

量的热；在早期阶段，地球上的放射性物质比现在多得多，放射性

释放出来的热足以使地球变成液态。

但是，并不是所有科学家都愿意接受必定有一个液态阶段的

说法。特别是美国化学家尤里，他坚持认为，地球大部分一直是固

体。他论证说，在主要是固体的地球内，铁的缓慢分离仍然可以形

成铁核；即使现在，铁可能仍以每秒

50 000吨的速率从地幔向地

核迁移。

海 洋

地球与太阳系中其他行星的不同之处在于，它的表面温度可

以让水以三种形态存在：液态、固态和气态。距离太阳比地球更远

的一些星球，如木卫三和木卫四，主要是冰。木卫二的整个表面都

被冰川所覆盖，而冰下可能有液态水，但其他所有外星球的表面上

可能只有微不足道的水蒸气。

据我们所知，地球是太阳系中惟一有许多海洋的星体。这些

海洋汇聚了极大量的水，其上便是大气圈。实际上，我应该说地球

上只有一个大洋，因为太平洋、大西洋、印度洋、北冰洋和南冰洋共

同组成了一个相互连接的咸水体，而欧洲、亚洲和非洲大陆、美洲

大陆以及一些较小的大陆如南极洲和大洋洲，都可以看成是其中

第四章 地 球

第四章 地 球

的岛屿。

这个大洋的统计数字相当惊人。它的总面积是

3.63亿平方

公里，占地球表面面积的

71%。它的体积，按平均深度

3.75公里

计算，约为

13.58亿立方公里。它所含的

H2O占地球总含量的

97.2%；它也是地球上淡水供应的源泉，因为每年有

33万立方公

里的海水被蒸发后变成雨或雪降落下来。这种降水作用的结果，

使大陆的地表下面有大约

83万立方公里的淡水，还有大约

12.5

万立方公里的淡水露天积存在湖、河中。

从另一个角度来看，海洋并不那么惊人。它虽然很大，却仅占

地球总质量的

1/4 000强一点。如果我们把地球设想成台球一样

大小的话，那么海洋只不过是球面上一层不引人注目的水膜罢了。

如果你能一直下到海洋的最深处，那么，你所走的这段路程仅仅是

到地心的距离的

1/580，但剩下的那段距离首先是岩石，接着是金

属。

然而，这一层不引人注目的水膜对我们来说却意义重大。最

初的生物就是从这里发源的；而且，从单纯的数量角度来说，地球

上的生物大部分也是生活在海洋。在陆地上，生物局限于距离地

表几米的范围内（只有鸟类和飞机可以暂时离开地面）；在海洋中，

生物可以长久地占据深达

11公里的领域，有些地方可能更深一

些。

可是，直到近些年来，人们一直不知道海洋的深度，特别是对

洋底一无所知，好像海洋是在金星上似的。

海流

现代海洋学的创始人莫里原是美国海军军官。在

30多岁时，

他在一次事故中瘸了腿。这对他来说是不幸的，但却给人类带来

了福利。他在残废后被任命主管海图及仪器库（无疑是一个闲

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职），于是，他便全心投入了绘制海流图的工作。他详细研究了墨

西哥湾水流的流程，早在

1769年美国学者

B.富兰克林就研究过

这个水流。莫里描述这个水流时说：“这是海洋中的一条河。”这句

话已经成为海洋学中的一句名言。它确实是一条比陆地上任何河

流都大得多的河。它每秒钟的流量是密西西比河的

1 000倍。这

个水流起点宽

80公里，深约

0.8公里，流速每小时

6.4公里。它

的加温作用远达北部的斯匹次卑尔根群岛。

他还提倡海洋研究方面的国际合作；在他的积极推动下，1853

年在布鲁塞尔召开了具有历史意义的第一届国际海洋会议。

1855

年，他出版了第一本海洋学教科书，书名为《海洋自然地理》。在他

死后，美国安纳波利斯海军学院建立了“莫里纪念堂”，以表彰他所

取得的成就。

从莫里那个时期以来，人们对海流进行了全面制图。由于科

里奥利效应，在北半球的海洋中，海流是按顺时针方向流动的强大

环流；在南半球的海洋中，则是按逆时针方向流动的强大环流。墨

西哥湾水流只是北大西洋顺时针方向环流的西部支流。在纽芬兰

以南，它流向正东，横过大西洋（北大西洋漂流）。墨西哥湾水流的

一部分转向欧洲海岸，绕过不列颠群岛，到达挪威海岸；其他部分

则转向南，沿着非洲的西北海岸流动。这最后一个部分沿着加那

利群岛流动，被称之为加那利海流。非洲海岸的形状加上科里奥

利效应，使海流向西横越大西洋（北赤道海流），最后流入加勒比

海，环流又重新开始。

一个较大的逆时针方向的环流沿着赤道以南的太平洋边缘流

动。这个紧靠大陆的海流从南极向北，流到南美洲的西海岸，远至

秘鲁。环流的这一部分叫秘鲁寒流或洪堡海流（为了纪念德国博

物学家洪堡而命名，大约在

1810年他第一个描述了这股海流）。

秘鲁海岸的形状与科里奥利效应相结合，使这股海流向西横

第四章 地 球

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越赤道正南的太平洋（南赤道海流）。这股海流的一部分穿过印度

尼西亚群岛的水域进入印度洋。其余的部分向南流经大洋洲的东

海岸，然后再次东流。

这些环流有助于平衡海洋的温度，也有助于间接地调节海岸

的温度。虽然温度的分布仍不均匀，但比没有海流要好多了。

大部分海流流动缓慢，甚至比墨西哥湾水流还慢。虽然流速

缓慢，但涉及海洋的面积很大，使海洋中大量的水发生流动。从纽

约市以外北去的墨西哥湾水流沿着固定的路线流动，其流量大约

是每秒

4 500万吨。

在极区也有水流。北半球的顺时针海流和南半球的逆时针海

流都使水在环流的极地边缘从西向东流动。

南美洲、非洲和大洋洲大陆的南面，有一股海流绕过南极洲大

陆，从西向东横越连绵不断的海洋（地球上只有南极洲一个地方海

水从西向东漂流而不会遇到陆地）。这个南极的西风漂流（亦称南

极绕极流）是地球上最大的海流，每秒钟流经任一给定路线的流量

接近

1亿吨。

北极区的西风漂流被陆块所阻挡，因此形成北太平洋漂流和

北大西洋漂流。北大西洋漂流在格陵兰西海岸转向南去，这股冰

冷的极地水流经加拿大东部的拉布拉多半岛和纽芬兰岛，因此那

一部分海流叫做拉布拉多海流。拉布拉多海流在纽芬兰岛以南与

墨西哥湾水流相遇，使这一地区经常有雾和风暴。

大西洋西岸和东岸形成鲜明的对照。西岸的拉布拉多半岛，受

拉布拉多海流的影响，一片荒凉，总人口为

25 000人。在东岸，

正好在同样的纬度上，是不列颠群岛，由于受墨西哥湾水流的影

响，人口为

5 500万人。

直接沿着赤道流动的一股海流不受科里奥利效应的影响，可

以沿着直线流动。这样一股又细又直的海流处在太平洋中，它沿

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着赤道向正东流动几千公里。这股海流是由美国海洋学家克伦威

尔发现的，因此称为克伦威尔潜流。1961年，美国海洋学家沃勒

斯在大西洋发现了一条类似的海流，只是流速稍慢。

循环并不仅仅限于表层海流。一些间接的证据可以清楚地说

明，海洋深层不可能保持平静不动。一方面，海洋表层的生物不断

地消耗海洋中的矿物养料——磷酸盐和硝酸盐，而死亡后同这些

物质一起沉入深部；如果没有环流把这些物质再带上来，海洋表层

就会缺乏这些矿物质。另一方面，如果没有环流传送的话，那么靠

从空气中吸收并供给海洋的氧，就不会以足够的速率下渗到海洋

深处，以维持深部生物的需要。实际上，人们发现即使在深海的底

部氧的浓度也够用。只有假设海洋中有些区域富含氧的表层水不

断下沉，才能解释这种情况。

驱使海水这样垂直环流的动力是温差。在极区，海洋表层的

水变冷而下沉，这股不断下沉的水流会沿着整个海底扩展开去，因

此，即使在热带地区，海底的水也是非常冷的——接近冰点。最

后，这种深部冷水无处可流，只好涌向表层。在上升到表层以后，

冷水逐渐变暖并流向北极和南极，于是再度下沉。据估计，如果在

大西洋中加入某种新的成分，由此形成的环流在大约

1 000年内

就会使大西洋全部混合。太平洋比较大，若要全部混合的话，大概

需要

2 000年。

南极远比北极更能提供冷水。南极洲的冰冠是北极所有的冰

（包括格陵兰冰冠在内）的

10倍。融冰使南极洲周围的水变得冰

冷，在表层向北延伸，直到与从热带区域南下的暖流相遇。来自南

极洲的冷水的密度大于来自热带的暖水，因此在到达南极辐合线

时便沉到暖水的下面，南极辐合线在一些地方向北延伸到南纬

40

度。

南极的冷水带着氧和养料扩展到整个洋底（氧同所有的气体

第四章 地 球

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一样，在冷水中比在暖水中容易溶解，溶解的量也比较大）。南极

洲（世界的“冰箱”）就这样为海洋提供养料并控制全球的气候。

大陆的阻隔使这种总体情况变复杂了。为了跟踪实际的环

流，海洋学家便用氧作示踪剂。因为富含氧的极地水下沉并扩展，

所以携带的氧被利用氧的有机质逐渐消耗。因此，通过在不同的

地方从深水中提取氧浓度样品，人们就可以找出深海海流的方向。

这样绘制的海流图表明，有一股主要的海流从北冰洋出发在

墨西哥湾水流的下面并以相反的方向向南流入大西洋，另一股海

流从南极出发向北流入南大西洋。太平洋没有直接来自北冰洋的

海流可言，因为从北冰洋到太平洋的惟一出口就是窄而浅的白令

海峡。因此，它是深海海流路线的终点。北太平洋的深水区域缺

氧，这个事实说明北太平洋是全球海流的终点。因为缺氧，这个最

大的海洋的大部分区域生物稀少，宛如陆地上的沙漠区。如地中

海那样的内海的情形可以说也与此相同，因为氧和养料的完全循

环也被部分地阻塞了。

1957年，英美联合海洋考察队对深海海流的这种情况取得了

更直接的证据。考察者使用了英国海洋学家斯沃洛发明的一种特

殊浮标，这种浮标能保持在

1.6公里以上深度的水层中，浮标上装

有一个能发送短声波的装置。这样，当浮标随着深海海流移动时，

我们就可以通过这些信号追踪它。考察队就是这样沿大西洋的西

边南下跟着深海海流进入了大西洋。

海洋资源

世界人口日益膨胀，当他们向海洋索取更多的食物时，所有有

关这方面的资料将具有重要的实用价值。正如种地需要掌握河

流、地下水和降雨量的资料一样，科学的“海洋种田”也需要了解这

些能够提供养料的海流。如果能进行精心有效的管理的话，据估

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计，现在每年海味的捕获量能够增加到

2亿多吨（

1980年大约是

8000万吨），同时仍给海中生物留有维持它们生存的充分余地。

（当然，前提是目前对海洋的肆意损害和污染不再继续下去，特别

是对最靠近大陆海岸的那部分海洋，因为那部分海洋含有供人类

食用的大部分海中生物。到目前为止，我们不仅没有提出一个更

有效地利用海洋获取食物的合理方法，反而在降低达到目前捕获

量的能力。）

食物并不是海洋的惟一重要资源。海水中几乎溶有各种元

素，而且数量巨大。例如，海洋中含铀多达

40亿吨，银

3亿吨，金

400万吨，但因稀释度太大，无法实际提取。不过，现在人们已经

能够从海水中大量地提取镁和溴了。此外，碘的一个重要来源是

干海草。活着的海草能把碘从海水里浓缩出来，目前人类要从海

水中提取同样浓度的碘尚无利可图。

从海中还可以挖掘出大量的普通物质。从靠近美国的浅海

中，每年挖出大约

2 000万吨的牡砺壳，作为石灰岩的一个重要来

源。另外，以同样的方式每年大约取出

3 820万立方米的砂砾。

在洋底的较深部位散布着各种金属结核。这些金属结核是以

砾石或鲨鱼牙齿等东西为核心沉积而成的。（海洋中有类似情况，

如在牡砺体内以沙粒为核心形成珍珠）。这些金属结核含锰量最

高，所以通常称做锰结核。据估计，在太平洋洋底每平方公里有这

些结核

12 000吨。要大量获取锰结核是非常困难的，而且在当前

条件下单为获得锰而去开采是不值得的。但是，这些结核中含有

1%的镍、

0.5%的铜和

0.5%的钴。这些次要成分使这些结核的

吸引力大为增强。

除了被溶解的物质外，海洋中

97%（实际上都是水）的情况又

如何呢？

美国每人每年大约使用

2 700立方米的水，作为饮食、洗涤、

第四章 地 球

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农业和工业用水，大多数国家用水比美国节省；但就世界总的情况

而言，每人每年的用水量平均为

1 500立方米。但是，所有这些用

水都必须是淡水。至于海水不能作这些用途。

当然，从绝对意义上来说，地球上有大量的淡水。淡水虽然只

占地球总水量的约

3%，但仍然每人大约平均拥有淡水

1000万立

方米。然而，这些水有

3/4无法利用，被覆盖地表

10%的面积的

永冻冰冠储藏起来了。

因此，地球上液态淡水每人大约拥有

240万立方米，而通过降

雨经常得到补充的水平均每人为

11万立方米。我们可能会说，世

界每年的降雨量是人类用水量的

75倍，因此应该有充足的淡水。

但是，大部分雨降落在海洋中或作为雪降落在积冰上，降落在

陆地上的并且保持液态或者天气变暖时变成液态的雨水，有些未

被利用就流入大海。亚马孙地区的森林中大量的水实际上人类完

全没有利用。同时，人口在不断地增长，现存的这种淡水又在不断

地受到污染。

因此，不要很久淡水将会成为稀有的商品，而人类现在已开始

求助于最后的水源——海洋。最理想的方法是蒸馏海水，先使海

水蒸发，然后再凝结成水，并把被溶解的物质留下来；利用太阳的

热可以做到这一点。这种脱盐法可以作为一种淡水来源，在经常

有日晒的地方，或者在燃料便宜的地方，或者在必须的地方，人们

已经在这样做。大海轮通常都是利用燃烧的油一边使机器运转一

边蒸馏海水，从而供给自用的淡水。

也有人建议，把极区的冰山集中并浮动到温暖而干旱的海港，

在那里可以把存留下来的冰融化以供使用。

但是，毫无疑问，利用我们的淡水资源（或任何资源）的最好方

法，就是要善于储存，把浪费和污染减少到最低限度，而且要注意

控制全球的人口数量。

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海洋的深度和大陆的变迁

对海洋深度直接观测的情况是怎样的呢？从古代仅保存下来

一份记录（如果可以信赖的话）。据说大约在公元前

100年，希腊

哲学家波西多留斯曾在撒丁岛海岸以外的地方测量过地中海的深

度，测到的深度据说大约是

2公里。

然而，直到

18世纪，科学家们为了研究海中生物，才开始对海

洋的深度进行系统的研究。在

18世纪

70年代，丹麦生物学家

O. F.弥勒发明了一种水底采样器，可以用来从海面下几米深的

地方取出生物标本。

19世纪

30年代，英国生物学家小福布斯使用水底采样器取

得了显著成功，他从北海和不列颠群岛周围的其他海域中取出了

海中生物。此后，

1914年，他随一艘海军军舰前往东地中海，在那

里从

410米的深处采到了一条海星。

植物只能生长于海水的最上层，因为阳光只能穿透大约

70米

深的海水。动物说到底必须依靠植物才能生活。因此，小福布斯

认为，在能找到植物的水深以下，动物是不能长久存活的。实际

上，他认为

410米的深度大概是海中生物生存的极限，这个极限以

下的海洋是贫瘠的，没有任何生物存在。

然而，正当小福布斯做出这种判断的时候，英国探险

家

J. C.罗斯在南极洲海岸探险时，从

730米深的海水中捞出了

生物，远低于小福布斯的极限。但是，南极洲太远了，所以大多数

生物学家还是接受小福布斯的判断。

当决定横越大西洋海底铺设一条电报电缆时，海底才第一次

成为人类实际关心的事情（而不再只是少数科学家出于一种好奇

心）。1850年，莫里为铺设海底电缆绘制了一张大西洋海底地形

图。在美国金融家菲尔德的坚决支持下，用了

15年的时间，经过

第四章 地 球

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许多挫折和失败，大西洋海底电缆终于铺设成功。（现在已有

20

多条电缆横越大西洋海底。）

但是，这项工程标志着人类开始对海底进行系统的考察，这应

该感谢莫里。莫里的探测表明，大西洋中间的水域比两边的浅。

为了纪念这条电缆，莫里把中央浅的区域命名为“电报海台”。

英国船斗牛狗号继续对海底进行考察并扩大了莫里考察的范

围。斗牛狗号于

1860年启航；船上有英国物理学家沃利克，他用海

底采样器从大约

2 300米的深海中捞出

13条海星。这些海星都是

活蹦乱跳的，不是死后沉到海底的。沃利克立即报告了这一情况，

并认为即使没有植物，动物也可以在寒冷漆黑的深海中生存。

生物学家仍不愿意相信这种可能性；1868年苏格兰生物学家

C. W. 汤姆森乘坐一艘叫闪电号的船到深海去打捞。结果从深

海中捞出了各种动物，于是争议结束了。小福布斯关于海中生物

生存的下限的说法被推翻了。

C. W. 汤姆森想测定海洋到底有多深，

1872年

12月

7日他

乘坐挑战者号出海，在海上航行了

3.5年，航行距离合计

126 000

公里。为了测量海洋的深度，挑战者号采用了人们长期使用的方

法，将长

6.4公里缆索的一端系上一个重物，再把缆索放入海中直

到到达海底，当时除此以外没有更好的方法。挑战者号就这样在

370个地方测量了海洋的深度。遗憾的是，这种方法既费力又不

精确。但是，1922年发明了利用声波的回声测深法，对海底的考

察才发生了一场革命。为了说明回声测深法是怎么回事，现在先

来谈一谈声波。

机械振动在物质中（例如在空气中）引起纵波，其中有一些作

为声音我们能够听到。不同波长的声音具有不同的音调。我们能

听到的最低声音，波长为

22米，频率为每秒

15周。正常成人能听

到的最尖声音，波长是

2.2厘米，频率是每秒

15 000周。（小孩能

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听到更尖的声音。）

大气吸收声音的程度取决于波长。波长越长，被一定厚度的

空气所吸收的声音越少。正因为如此，轮船的雾号声音都非常低，

所以能传得非常远。像老玛丽女王号大客轮的雾号声，每秒振动

27次，相当于钢琴的最低调发出的声音。这种雾号声在

16公里

以外都能听到，用仪器在距离

160～240公里的地方都能收听到。

有些声音比我们能够听到的最低音调还要低。地震或火山造

成的一些声音属于次声频率范围。这种声音有时可以绕地球好几

圈才被完全吸收。

声音被反射的效率以相反的方式取决于波长。波长越短，反

射率越大。频率高于我们听得见的最尖声音的声波具有更高的反

射率。一些动物比人类能听到更尖的声音，并会利用这种能力。

蝙蝠的叫声能发出高达每秒

130 000周的超声频率的声波，并能

听到它们的回声。根据回声最响的方向以及发出声音到听到回声

之间的时滞，蝙蝠就可以判断出要捕捉的昆虫的位置并避开树枝。

这样，即使它们看不见，只要不聋，就能非常有效地飞行。（意大利

生物学家斯帕兰札尼

1793年首先进行了这方面的观察，他想知道

蝙蝠是不是用它们的耳朵来“看”东西，当然，从某种意义上来说，

它们确实是这样。）

海豚和油鸱（委内瑞拉的穴居鸟）也利用声波达到回声定位的

目的。由于它们只想测定较大物体的位置，所以它们使用可听范

围内反射率较小的声波来达到这一目的。（人们已开始怀疑，脑子

发达的海豚发出的复杂声音甚至可能是用来进行一般的联系——

直接了当地说，就是用来进行交谈。美国生物学家利利对这种可

能性做了详尽的研究，没有得出明确的结论。）

人类要想利用超声波的特性，必须首先能产生出超声波。小规

模产生和应用超声波的例子是

1883年最先制成的狗笛。这种狗笛

第四章 地 球

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产生的声音接近于超声频率范围的声音，狗能听见，但人听不见。

法国化学家皮埃尔·居里和他的兄弟雅克·居里开辟了一条更

有作为的途径。

1880年，他们发现某些晶体受压时会产生电势

（压电现象）。反过来也是一样。当在这类晶体上加上电势时，它

就会由于受到压力而产生轻微的收缩（电致伸缩）。只要研究出能

够使电势产生快速波动的技术，人们就可以使晶体振动得非常快，

从而产生超声波。1917年，法国物理学家朗之万首先做到了这一

点。他很快就把这种短声波的优异反射能力应用在侦察潜水艇上

（尽管在他做成功的时候第一次世界大战已经结束）。在第二次世

界大战期间，这种方法进一步完善，发展成为声纳（即声波导航和

测距系统）。

于是，利用超声波反射测定海底的距离取代了测深绳。根据

从发出信号（一个尖脉冲）到收到回波之间的时间间隔，就可以计

算出海底深度。操作者惟一需要考虑的是，他所得到的信号是不

是由鱼群或其他障碍物反射回来的假回波。（因此，捕鱼船可以使

用这种仪器探测鱼群。）

回声测深法不仅快速和方便，而且使人们能够在船经过的地

方把下面海底的连续剖面描绘出来，从而使海洋学家得到一张海

底地形图。现在

5分钟内所收集到的情况比挑战者号在其全部航

程中所得到的资料还要详细。

第一艘这样使用声纳的船是德国的海洋调查船流星号。1922

年，这艘船对大西洋进行了调查。到

1925年人们就清楚地知道，

海底决不是毫无特征和平坦的。莫里的“电报海台”也不是一种平

缓起伏的高地和低地，实际上它是一条山脉，比陆地上的任何山脉

都长和崎岖不平。这一山脉在整个大西洋洋底蜿蜓延伸，其最高

的一些山峰突出海面，形成像亚速尔群岛、阿森松岛以及特里斯

坦-达库尼亚群岛那样的岛屿。人们称之为大西洋中脊。

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随着时间的推移，人们陆续发现了其他更加惊人的事实。夏

威夷岛是一条水下山脉的顶部，从山脉的海底测量约高达

10 000

米，比喜马拉雅山脉的最高峰还要高，因此，完全可以把夏威夷称

为地球上最高的山。在海洋底部还有许多平顶火山锥，称之为海

峰或海底平顶山。海底平顶山的名称是为了纪念瑞士血统的美国

地理学家几岳而用他的名字命名的，1848年在他移居美国时把科

学的地理学带到了美国。第二次世界大战期间，美国地质学家

H. H. 赫斯首先发现了海峰，他接连测定出

19座海峰的位置。在

海底至少有

10 000座海峰，大部分在太平洋。

1964年，在威克岛

正南发现了一座海峰，高达

4 300米。

此外，海底还有海沟，深达

6 000多米，美国的科罗拉多大峡

谷也会被淹没进去。海沟都位于各个群岛的边缘，总面积约占全

部海底面积的

1%。这看起来似乎不多，但实际上却相当于美国

面积的一半，海沟的含水量是陆地上全部河、湖总含水量的

15倍。

最深的一条海沟在太平洋；另外，在菲律宾群岛、马利亚纳群岛、千

岛群岛、所罗门群岛和阿留申群岛附近也发现有海沟（见图

4-

5）。大西洋中也有大海沟，处在西印度群岛和南桑威奇群岛附近。

印度洋中也有一条海沟，处在东印度群岛附近。

除海沟外，海洋学家还追踪到了海底峡谷。有时海底峡谷长

达几千公里，看上去像是河道。有些海底峡谷似乎确实是陆上河

流的延伸，有一条峡谷明显地从哈得孙河延伸到大西洋。

20世纪

第四章 地 球

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图 4-5太平洋海底剖面图。海底的大海沟在海平面以下的深度大

于喜马拉雅山脉的高度，而夏威夷从海底算起的高度大于陆地上最

高山峰的高度

60年代，对印度洋进行了海洋调查，结果仅在孟加拉湾就找到了

至少 20多条这样的大沟槽。于是有人认为，这些海底峡谷曾经是

陆地上的河床，当时印度洋的水面比现在低。但是，到现在为止，

有些水下河道仍然处在海平面以下，似乎完全不可能曾经高出过

海面。近年来，许多海洋学家，尤其是尤因和希曾，提出了另外一

种理论。他们认为，海底峡谷是由浊流挖成的。这种浊流是一种

沿着近海大陆坡发生的、每小时 96公里、雪崩塌式、充满泥沙的水

流。有一股浊流引起了科学家们对这个问题的注意。这就是

1929年在纽芬兰以外的海中地震之后形成的浊流，接连毁坏了许

多海底电缆，成为一次重大的灾害。

大西洋中脊现今的延伸情况令人惊奇。新近在其他地方所作

的探测表明，大西洋中脊不仅仅局限于大西洋。它的南端绕过非

洲，沿着印度洋西部往北一直延伸到阿拉伯半岛。它在印度洋中

部分叉，延伸至澳大利亚和新西兰以南，然后再向北绕太平洋转一

大圈。最初人们所认为的大西洋中脊竟变成了“大洋中脊”。但

是，在一个非常基本的方面大洋中脊不同于大陆上的山脉：大陆上

的山脉是由褶皱的沉积岩组成的，而巨大的大洋中脊是由来自炽

热的地球深处的玄武岩组成的。

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第二次世界大战以后，尤因和希曾又以新的劲头探测洋底的

详细情况。1953年的详细探测表明，沿整个大洋中脊的正中央有

一条深峡谷，这使他们大为惊讶。最后发现在大洋中脊的所有部

分都存在着深峡谷，因此有时称之为“全球大裂谷”。在有些地方

这条大裂谷紧靠陆地，例如，它延伸至非洲与阿拉伯半岛之间的红

海，并掠过太平洋的边缘，穿过加利福尼亚湾，到达加利福尼亚州

的海岸。

起初，人们以为这条大裂谷是地壳中连续

64 000公里的一条

大裂缝。但是，进一步的仔细考察表明，它是由彼此错开又短又直

的段落组成的，好像是地震使相邻的段落发生了错动。实际上，地

震和火山往往是沿着这条大裂谷发生的。

这条大裂谷是地壳的一个弱点，来自地球内部炽热的熔岩（岩

浆）就是通过这个弱点慢慢地涌上来，然后冷却，堆积成大洋中脊，

并不断向外扩张。这种扩张每年快达

16厘米，在

1亿年中，整个

太平洋洋底就可以铺上一层新的岩石。实际上，从洋底捞出的沉

积物很少发现有超过

1亿年的，如果没有海底扩张假说的话，对于

已有

45亿年生命史的地球来说，这种现象就令人惊奇了。

很明显，地壳同时被全球大裂谷及其分支分成了彼此分开的

大板块。这些板块被称为构造板块，因为这些板块非常巧妙地连

接在一起，看上去像是一个完整无损的地壳。根据这些板块来研

究地壳的演化就是人们所说的板块构造。

地壳有

6大构造板块和许多较小的构造板块，而且人们很快

就弄明白，地震通常沿着这些板块的边界发生。太平洋板块（包括

太平洋的大部分）的边界包含有东印度群岛、日本群岛、阿拉斯加

和加利福尼亚等地震带。欧亚板块和非洲板块之间的地中海边界

是仅次于太平洋边界的有名地震带。

另外，在地壳中还发现有以很深的裂隙出现的断层，断层的一

第四章 地 球

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盘岩石紧贴在另一盘岩石上，定期地进行滑动，从而造成地震。这

些断层也出现在板块的边界上或板块边界的分支上。在所有这样

一些断层中，最有名的是圣安德烈斯断层，它从旧金山到洛杉矶沿

着整个加利福尼亚州海岸延伸，是美洲板块和太平洋板块之间边

界的一部分。

魏格纳的大陆漂移说情况又如何呢？如果以单个板块来考虑

的话，那么板块上的物体既不可能漂移也不可能改变位置，这些物

体被坚硬的玄武岩固定住了（正如反对魏格纳学说的人所指出的

那样）。再者，相邻的板块紧紧地挤压在一起，很难看出什么东西

能够使它们移动。

答案可从另一种考虑中得到。板块的边界不仅是经常发生地

震的地方，而且也是经常爆发火山的地方。实际上，沿着与太平洋

板块边界相一致的太平洋海岸活火山和死火山是如此之多，以致

整个海岸被称做火环。

那么，会不会是这样一种情形：岩浆是通过构造板块之间的裂

隙从地球内部炽热的深层涌上来的（因为在固体地壳中只有这些

裂隙是薄弱环节）？具体地说，岩浆可能会通过中大西洋裂谷非常

缓慢地涌上来，与海水接触后凝固，形成裂谷两侧的大西洋中脊。

我们可以进一步设想，岩浆在涌出和凝固的过程中可能会把

各个板块推开。如果是这样的话，它会成功地把非洲和南美洲向

南推移，而把欧洲和北美洲向北推移，使联合古陆分裂，形成大西

洋，并且使大西洋越来越大。欧洲和非洲也会被推开，形成地中海

和红海。由于海底日益扩大，所以这种作用被称做海底扩张。海

底扩张假说是由

H. H. 赫斯和迪茨

1960年首先提出的。大陆并

不是像魏格纳所想象的那样浮动或漂移开的；它们是固定在板块

上被推开的。

怎样才能证明海底扩张呢？1963年初，对从中大西洋裂谷两

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侧的海底取得的岩石进行了磁性检测。岩石的磁性模式随着离开

裂谷的距离而变化，而且两侧岩石磁性模式就像镜像一样完全相

对应。有确切的证据证明，靠近裂谷的岩石是最年轻的，越往裂谷

的两侧移动年龄就越老。

用这种方法，人们可以估计出，大西洋海底现在扩张的速率每

年不到

2.5厘米。在这个基础上，大西洋最早张开的时间能够大

体上确定下来。在最近

20年中，构造板块运动以种种方式使地质

学的研究发生了一场彻底的革命。

由于所有的板块都是紧密地贴在一起的，因此如果要迫使两

个板块分开的话，那么，一个板块必然会挤进另一侧的另一个板块

里，这是很自然的事情。如果两个板块慢慢地合在一起（速率每年

不超过

5厘米），地壳就会弯曲和隆起，形成山脉和山根。因此，喜

马拉雅山脉似乎在载有印度的板块和载有亚洲其余部分的板块缓

慢接触时形成的。

另一方面，当两个板块结合得太快而来不及弯曲时，一个板块

的表面可能会在另一个板块的下面凿出一条路，形成一条深海沟

和一系列岛屿，并有可能出现火山活动。例如，在西太平洋就发现

了这种深海沟和岛屿。

在海底扩张的影响下，板块既推开又结合。中大西洋裂谷正

好从冰岛的西部经过，使冰岛正在被非常缓慢地推开。这种分离

的另一个地方在红海。红海还相当年青，它的存在仅仅是因为非

洲和阿拉伯半岛已经被推开了一点儿。（如果把红海相对的两岸

靠在一起的话，它们紧密相符。）这个过程正在继续着，因此，在某

种意义上说，红海是一个正在形成过程中的新大洋。

1965年发

现，在红海水体底部有些区段温度为

56℃，盐的浓度至少为正常

水的

5倍，这个事实表明红海的上升流非常活跃。

可以设想，有可能存在一个漫长而缓慢的岩浆上涌旋回，涌上

第四章 地 球

第四章 地 球

来的岩浆在某些地方把板块推开，在另外一些地方使板块拼到一

起，导致地壳向下俯冲，并使它变为岩浆。在这一过程中，各个大

陆合成一个陆块，然后又被分开，如此反复多次，于是山脉形成又

被侵蚀，深渊形成又被填平，火山喷发又熄灭。地球在地质上和生

物学上都充满着生机。

地质学家现在甚至能够描述出联合古陆最后分裂的过程，虽

然仍然只能是粗略的。联合古陆最早是从一条东西向裂缝开始分

裂的。联合古陆的北半部包括现在的北美洲、欧洲和亚洲，有时叫

做“劳亚古陆”，因为从地质上讲，北美洲地表最老的岩石就是产在

圣劳伦斯河以北的劳伦高原的岩石。

联合古陆的南半部包括现在的南美洲、非洲、印度半岛、大洋

洲和南极洲，称做“冈瓦纳古陆”。（这个名字是奥地利地质学家

E. 休斯

1890年根据印度一个地区的名字和一种地质演化理论创

造出来的，他所根据的这种理论在当时似乎是合理的，但现在知道

是错误的。）

大约在

2亿年前，北美洲开始与欧亚大陆分开；在

1.5亿年

前，南美洲开始与非洲分开，最后南美洲和北美洲在中美洲只是以

很窄的地带连接起来。随着这些陆块的分开，它们向北推移，直到

劳亚古陆相等的两半把北极地区夹在它们中间为止。

大约在

1.1亿年前，冈瓦纳古陆的东部分裂成好几块：马达加

斯加岛、印度半岛、南极洲和大洋洲。马达加斯加岛与非洲靠得很

近，但自最后的联合古陆发生分裂以来，印度半岛比其他任何陆块

都移动得远。印度半岛向北移动了

8 850公里，挤进了南亚，从而

形成了喜马拉雅山脉、帕米尔高原和西藏高原。后者是世界上最

年轻、最雄伟壮丽的高原区域。

南极洲和大洋洲可能仅仅是在

4 000万年前分开的。南极洲

向南移动到其冰冻的终点。大洋洲今天仍在向北移动。

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深海生物

第二次世界大战以后，对海洋深部继续进行调查。近年来，一

种水下听力装置水听器证实，海中生物发出各种不同的响声，因

此，总的来说深海同陆地一样喧闹。

1951年新挑战者号调查了西太平洋的马里亚纳海沟，发现地

壳中最深的沟不是菲律宾群岛附近的海沟，而是马里亚纳海沟。

这条海沟最深的部分现在叫做挑战者号深渊，深达约

11 000米，

如果把珠穆朗玛峰放进去的话，水面将会没过其最高峰

1.6公里。

然而，挑战者号从该深渊的底部捞出了细菌，看上去同地球表面的

细菌非常相似，但只能在

1 000个以上大气压的环境中生存。

海沟中的生物适应了海底这样高压的环境，因而不能离开海

沟；实际上，它们就像被囚禁在一个孤岛上一样。它们经历了一种

与外界隔绝的演化过程。但是，它们在许多方面仍然与其他有机

质有非常密切的亲缘关系，因此它们在深渊中的演化似乎经历的

时间还不太长。人们可以想象，由于竞争的压力，有些海洋生物群

体被迫到越来越深的水域中生活，正如其他生物群体被迫到大陆

架越来越高的地方，甚至最后在陆地上生活一样。沉入深海的群

体必须适应较高的压力；出现在陆地上的群体则必须适应无水的

环境。总的来说，后者可能比前者更难适应，所以在深渊中有生物

存在就没有什么可惊奇的了。

诚然，深海中的生物不如表层附近丰富。据估计，单位海水中

的生物含量，在

7.2公里以下仅是在

3.2公里深处的

1/10。此外，

在

7.2公里以下的深海中，几乎没有食肉目动物。因为在那里捕

获不到足够的食物。但是，它们是食腐动物，以能够找到的各种有

机质为食。人们发现，深渊中的各种生物最早不超过

2亿年，大多

数不超过

5 000万年，这说明深渊只是在较近的年代才被生物栖

第四章 地 球

第四章 地 球

居的。只是在恐龙时代开始的时候深海中才出现了生物，在此之

前什么生物也没有。

尽管如此，侵入深海的一些生物还是在那里存活下来，但它们

与接近表层的生物的亲缘关系却逐渐断绝。19世纪

30年代末期

有一个例子非常突出地证明了这一点。1938年

12月

25日，一艘

拖网渔船在非洲南部附近的海中捕获到一条约

1.5米长的怪鱼，

怪就怪在鱼鳍不是直接长在鱼身上而是长在两片肉叶上。南非动

物学家

J. L. B. 史密斯抓住时机对这条鱼进行研究，把它当作一

件最好的圣诞礼物。这种鱼叫空棘鱼，是一种原始鱼，动物学家们

一直认为它在

7 000万年以前就灭绝了。现在有了这种动物的一

个现代标本，原来以为在恐龙全盛时期到来之前它已经绝迹了。

第二次世界大战中断了寻找空棘鱼类的工作，但

1952年在马

达加斯加岛附近又捕获到一条不同属的空棘鱼。到目前为止已经

发现了许多条这种鱼。因为空棘鱼习惯于深海生活，所以被捕上

来以后很快就死去了。

进化论者之所以对研究空棘鱼标本特别感兴趣，是因为最初

的两栖纲动物就是由这种鱼进化来的，换句话说，空棘鱼是鱼类祖

先的嫡系后代。

在

20世纪

70年代末期有一项更加令人兴奋的发现。科学家

们在洋底找到了热点，在那里地幔的炽热岩浆上升到非常靠近地

壳上部边界的地方，并把上面的水加热。

1977年初，一艘深海潜水艇载着科学家沉到海底，在加拉帕

戈斯群岛以东和加利福尼亚湾海口，对接近热点的海底进行了调

查。在加利福尼亚湾海口的热点上，他们发现有烟囱，带烟的热泥

从这些烟囱中涌上来，使周围的海水充满矿物质。

这些矿物富含硫，同时在这些热点的附近还富含各种细菌，它

们不是从阳光中获取能量，而是从硫和热的化学反应中获得能量。

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小动物以这些细菌为食，较大的动物则以较小的动物为食。

这是一种全新的生物链，不需要依赖于海水最上层的植物细

胞。即使阳光完全消逝，这个生物链也能生存，只要热和矿物质继

续从地球内部涌出来，因此，这一生物链只能在热点附近生存。

从这些海底区域取回蛤、蟹和各种蠕虫进行研究，其中有些相

当大。所有这些蛤、蟹及蠕虫都是在对那些不适应这种水域化学

特性的动物来说是有毒的水体中繁盛起来的。

深海潜水

研究深海最理想的办法就是把人送到下面去观察，以上介绍

的情况就是一个实际的例子。当然，水对人来说不是一个适宜的

环境。自古以来，潜水者一直在锻炼他们的技巧，他们能够潜到大

约

18米的深处，并在那里停留

2分钟。但是，在身体没有装备的

情况下，这种技巧没有多大提高。

20世纪

30年代，陆续发明了护目镜、蛙鞋和通气管（一种短

管，一端含在口中，另一端露出水面），这使游泳者能够在水下游更

长的时间，其功效比别的方法要好。这种潜水叫做裸潜，因为它是

人直接潜到洋面之下。

1943年，法国海军军官库斯托发明了一种设备，就是裸潜潜

水员携带的压缩空气筒，里面装有化学过滤器，可以吸收潜水员呼

出的气体中的二氧化碳，从而使呼出的气体可以再度使用。这种

设备叫做水肺。战后利用水肺潜水成为人们喜爱的一项运动，这

项运动被称为斯库巴潜水。

有经验的斯库巴潜水员可以达到

60米的深度，但与海洋的总

深度相比仍然是太浅了。

第一套实用的潜水服是由西贝于

1830年设计的。潜水员穿

着现代的潜水服可以下到大约

90米的深度。潜水服把人体全部

第四章 地 球

第四章 地 球

密封起来，但是密封更严密的是一种适合于水下旅行的船——潜

水艇。

早在

1620年，荷兰发明家德雷贝尔就建造了第一艘潜水艇，

可以在水下真正停留很长一段时间而不会淹死艇内的人。但是，

必须有一种用来代替手摇螺旋桨的东西作为动力，潜水艇才会有

实际用途。潜水艇不能使用蒸汽动力，因为密封的潜水艇中空气

有限，不可能燃烧任何燃料。所需要的是靠蓄电池的电力来转动

的电动机。

第一艘这种电力潜水艇建造于

1886年。虽然必须定期给蓄

电池充电，但这艘潜水艇每充一次电可以航行大约

130公里。到

第一次世界大战开始时，欧洲的主要强国都有了潜水艇，并将它们

用作战舰。但是，这些早期的潜水艇容易破裂，不能下潜很深。

1934年，毕比乘坐他的探海球成功地下潜到

910米深处。探海

球是一种厚壁的小船，里面装有氧气及吸收二氧化碳的化学药品。

探海球是靠海面上的船用链索吊下去的，本身不会活动。因

此，需要一种能在深渊中航行的船。

1947年，瑞士物理学家

A. 皮

卡德发明了这种船，称做探海艇。这艘探海艇能够承受巨大的压

力，它用很多铁球压载（遇有紧急情况可以自动弃入海中）以使之

下沉，并有一个装有汽油的“气球”来为它提供浮力和稳定性（因为

汽油比水轻）。1948年这艘探海艇在西非达喀尔附近的海中第一

次试潜（不载人），下沉

1 400米。同年，毕比的同事巴顿利用环形

深海潜水器（一种经过改进的探海球）也下潜到

1 400米的深度。

后来，A. 皮卡德和他的儿子

J. 皮卡德又建造了一艘经过改

进的探海艇，并命名为的里雅斯特号，因为当时的里雅斯特自由城

曾资助建造这艘探海艇。

1953年，A. 皮卡德乘坐这艘艇在地中

海下潜到

4公里的深处。

美国海军为了研究海洋购买了的里雅斯特号。1960年

1月

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14日，J. 皮卡德和一位海军人员沃尔什乘坐这艘探海艇下沉到马

里亚纳海沟的底部，下潜深度为

11.3公里，这一深度在任何一个

深渊中都是最深的。那里是海洋中最深的地方，压力达

1 100个

大气压，但是他们仍然发现了海流和活着的生物。实际上，他们所

看见的第一个生物是脊椎动物，一条长

30厘米的鱼，样子像比目

鱼，长着眼睛。

1964年，法国的探海艇阿基米得号

10次下潜到波多黎各海

沟的底部。这条海沟是大西洋中最深的海沟，深达

8.5公里。同

其他海沟一样，这里的海底每平方米也都有生物。非常奇怪的是，

这里的海底并不是平缓地下斜进入到深渊的，而是看上去呈阶梯

状，像是一座巨大的向外展开的楼梯。

冰 冠

我们地球的两极总是令人向往的，科学史上最冒险的篇章之

一就是对两极地区的考察。那些地区充满了浪漫壮丽的景象和支

配人类命运的因素——天上奇异的极光、极端的寒冷、特别是那些

影响世界气候和我们生活方式的巨大冰冠（或冰川）。

北极

真正向两极地区的推进在人类历史上是较近期的事情，起始

于哥伦布发现美洲大陆以后兴起的伟大探险时代。最初的北极探

险家主要是为了寻找一条绕过北美洲顶端的海道。正是在贯彻这

项不可靠的计划当中，英国航海家哈得孙（受荷兰雇用）发现了哈

得孙湾，并在

1610年死去。6年以后，另一位英国航海家巴芬发

现了巴芬湾，它深入到距离北极不到

1 300公里的地方（见图

4-6）。最后，在

1846～1848年间，英国探险家

J. 富兰克林越过

第四章 地 球

第四章 地 球

图 4-6北极图

了加拿大北部海岸，并发现了西北航道（这在当时对轮船来说是最

不实用的一条航道）。J.富兰克林死于这次航海中。

此后，又经过半个世纪的努力，人们才到达了北极。当时去北

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极的动机主要是单纯冒险和想成为第一个到达北极的人。

1873

年，奥地利探险家帕耶和韦普雷茨特到达了离北极不到

960公里

的地方，并以奥地利帝王的姓名把他们发现的一群岛屿命名为法

兰士·约瑟夫地群岛。

1896年，挪威探险家南森在北极冰上漂移

到距离北极不到

480公里的范围内。最后，

1909年

4月

6日，美

国探险家皮里终于到达了北极终点。

现在，北极已不像以往那样神秘了。人们从冰上、空中和水下

对北极进行了考察。1926年，伯德和贝内特首次飞越北极；潜水

艇也从北极的水中通过。

同时，以格陵兰为中心的最大的北半球冰冠吸引了许多科学

考察队。魏格纳就是在这样一次考察中于

1930年

11月死去的。

人们发现，格陵兰

215万平方公里的面积约有

165万平方公里被

格陵兰冰川所覆盖，已知有些地方冰厚

1.6公里。

随着冰层的积厚，冰层被推入海中，由于冰层的边缘破裂或崩

解而形成冰山。北半球每年这样形成的冰山约有

16 000个，其中

90%是由格陵兰冰冠破裂形成的。这些冰山缓慢地向南漂移，特

别是漂向大西洋西部。每年大约有

400个冰山经过纽芬兰，威胁

到轮船航道；1870～1890年间，有

14艘船与冰山相撞沉没，有

40

艘船严重受损。

最严重的一次碰撞发生在

1912年，那一年，豪华客轮泰坦尼

克号首次出航时与冰山相撞而沉没。此后对这些巨大冰山经常出

现的地方设立了国际监视哨。在此后的年代里，投入使用一艘冰

情巡逻船，结果没有发生过一次轮船被冰山撞沉的事件。

南极——南极洲

南极的巨大大陆冰冠比格陵兰冰冠大得多。南极冰冠覆盖的

面积是格陵兰冰川的

7倍，冰的平均厚度为

2.4公里，有些地方厚

第四章 地 球

第四章 地 球

约

5公里。这是因为南极大陆非常广大，约有

1 300万平方公里，

但有多少是陆地，有多少是由冰覆盖着的海洋，目前尚不能确定

（见图

4-7）。一些探险家相信，至少南极洲西部是一群由冰连在

一起的大岛屿；但在目前，似乎还是大陆说占上风。

著名的英国探险家

J.库克是第一个越过南极圈的欧洲人。

1773年，J. 库克环绕南极地区作了一次航行。（可能是这次航程

激发了柯尔律治的灵感，使他写下了最著名的作品《古舟子咏》，

1798年出版，书中描写了从大西洋到太平洋经由南极洲冰冻地区

的航程。）

1819年，英国探险家W.史密斯发现了离南极洲海岸只有

80

公里的南设得兰群岛。1821年，由别林斯高津率领的一个俄国探

险队看到了南极圈内的一个小岛（彼得一世岛）；同一年，英国的

G.鲍威尔和美国的帕默首先看到了属于南极大陆本身的一个半

岛，现在称之为“南极半岛”。①

在以后的数十年间，探险家们一步一步地向南极极点迈进。

到了

1840年，美国海军军官威尔克斯宣称，这个陆地的各个走向

合起来组成一个陆块，后来证明他的说法是正确的。英国人威德

尔深入到帕默半岛以东的一个海湾（现在叫做威德尔海），距离南

极极点不到

1 450公里。另一位英国探险家

J. C. 罗斯发现了进

入南极洲的另一个大海湾（现在叫做罗斯海），并到达了距离极点

不到

1 142公里的地方。在

1902～1904年期间，第三个英国人

R. F. 斯科特越过了罗斯冰架（一块由冰覆盖着的大洋，面积相当

于美国的得克萨斯州），到达了距离极点不到

800公里的地方。

1909年，又一位英国人

E. 沙克尔顿从冰面上到达了距离南极极

点大约

160公里的地方。

①即图

4-7上的帕默半岛。——译注

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图 4-7主要大陆冰川今天大都局限在格陵兰和南极洲。在最近

一次冰期的顶峰，冰川曾扩展到欧洲北部和西部以及北美洲

1911年 12月 16日，挪威探险家阿蒙森终于到达了南极极

点。此时斯科特正在第二次向极点进发，仅比阿蒙森晚 3个星期

第四章 地 球

第四章 地 球

到达南极极点，他到达极点时见到阿蒙森的旗子已经插在了极点

上。斯科特和他的同伴们在回途中不幸丧生在冰上。

20世纪

20年代后期，飞机帮助人们实现了征服南极洲的愿

望。澳大利亚探险家

G. H.威尔金斯沿南极洲海岸飞行了

1 930

公里；1929年伯德飞越了南极极点。此时第一个基地“小亚美利

加

1号”已经在南极建立。

国际地球物理年

北极区和南极区已经成为近代最大的国际科学项目的焦点。

这起源于

1882—1883年，当时许多国家参加了“国际极地年”活

动，对诸如极光和地磁一类的现象进行考察和科学研究。这次活

动非常成功，所以

1932—1933年又举办了第二届

“国际极地年”活

动。1950年，美国地球物理学家伯克纳（他曾经是伯德南极探险

队的第一批队员）倡仪举办第三届这样的活动。国际科学联盟理

事会热情地接受了他的建议。在这次活动中，科学家们制造了强

有力的新科研仪器，并提出了一系列新的课题，如关于宇宙射线、

高空大气层、海洋的深度以及空间考察的可能性等问题。因此，安

排了一次宏大的“国际地球物理年”活动，时间定在

1957年

7月

1

日—1958年

12月

31日（太阳黑子活动最旺盛的一段时间）。这

项计划激起了国际合作的热情，甚至处于敌对状态的苏联和美国，

为了科学事业也参加了这项活动。

虽然从公众兴趣的角度来看，国际地球物理年最辉煌的成就

是苏联和美国成功地发射了人造卫星，但科学还取得了许多其他

同样重要的成果，其中最突出的是对南极洲进行了广泛的国际合

作考察。仅美国就在南极洲设立了

7个观察站，探测冰的厚度，并

从几公里深的冰层下取出被囚锢在里面的空气样品（这些空气可

能已经被囚锢了几百万年）和残存细菌的样品。有些细菌被冰冻

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在冰面以下

30米可能达

100年之久，但仍能复苏并正常生长。

1958年

1月，苏联的研究小组在冰极（南极洲最靠内地的一个点）

建立了一个基地，这个基地离南极极点

960公里，他们在那里测到

了新的最低温度。1960年

8月，正值南极隆冬，他们记录的温度

是－127℉，冷得可以将二氧化碳冻结。在以后的

10年中，在南极

洲又建立了几十个常年工作的观察站。

在最引人注目的征服南极的业绩中，由富克斯和希拉里率领

的一支英国探险队从陆地上横越了南极大陆，这在人类历史上还

是第一次（诚然，他们利用了特殊的交通工具和现代科学所能提供

的一切手段）。希拉里也是第一个登上世界最高峰珠穆朗玛峰的

人，他是在

1953年同登山运动员诺盖一起登上珠穆朗玛峰的。

国际地球物理年的成功以及由在冷战期间表现出来的这种合

作精神所激发起来的热情，使

12个国家于

1959年签订了禁止在

南极洲进行一切军事活动（包括核爆炸和倾倒放射性废料）的协

议。因此，南极洲将留作一个科学活动的场所。

冰川

地球上冰的总量将近

3 700万立方公里，大约覆盖了陆地总

面积的

10%。其中

86%的冰堆积在南极大陆冰川中，10%在格陵

兰冰川里，剩下的

4%构成了冰岛、阿拉斯加、喜马拉雅山脉、阿尔

卑斯山脉及其他少数几个地方的冰川。

长久以来，人们一直在对阿尔卑斯冰川进行研究。

19世纪

20

年代，两位瑞士地质学家维尼茨和夏彭蒂耶注意到，阿尔卑斯山脉

中部所特有的岩石散布在阿尔卑斯山脉以北的平原上。这些岩石

是怎样到平原上去的呢？地质学家们推测，山岳冰川以前覆盖的

面积比现在大得多，这些冰川后退时便留下了漂砾和岩屑堆。

瑞士动物学家阿加西兹对这种看法作了深入的研究。他在冰

第四章 地 球

第四章 地 球

川上打下几行木桩，来观察冰川是否移动。到

1840年，他确切无

疑地证实，冰川像非常缓慢的河流一样在流动，速度大约为每年

69米。同时，他走遍了欧洲，在法国和英国都发现了冰川的痕迹。

他还在其他地方发现了周围环境中没有的漂砾，还发现岩石上有

擦痕，这些擦痕只有其底部携带着卵石的冰川才磨得出来。

1846年阿加西兹到了美国，成为哈佛大学的教授。他在新英

格兰和美国中西部发现了冰川作用的痕迹。到了

1850年，事情已

经很明显，在地球历史上的某个时期，北半球的大片地区一定被巨

大的大陆冰川所覆盖。自阿加西兹以来，人们对冰川遗留下来的

沉积物进行了详细的研究，这些研究表明，在最近

100万年中，冰

川曾多次进退，从而构成了更新世。

现在地质学家往往用更新世冰川作用一词来代替人们所熟知

的冰期。但事实上有些冰期是出现在更新世之前。大约

2.5亿年

前曾有一个冰期，大约

6亿年前也有过一个冰期，在它们之间，大

约

4亿年前可能还有一个冰期存在。人们对这些较早的冰期很少

了解，因为时间久远，大部分地质证据都不存在了。但是，总的来

说，冰期不常发生，它只占地球整个历史的千分之几。

关于更新世冰川作用，似乎南极的冰盖与最近这个冰期的推

进无关，虽然南极冰盖现在是最大的冰盖。南极冰盖只能向海中

延伸并在那里破裂。浮冰越来越多，使海水普遍变得很冷，但南半

球的陆地离南极很远，因而不致使它们各自产生冰盖的生长点，但

安第斯山脉最南端的一些冰川作用除外。

北半球却完全是另外一种情形，那里辽阔的陆地紧靠着极点。

正是在那里冰盖的扩展非常引人注目；上面所说的更新世冰川作

用几乎完全是与北半球有关，现在除了存在一个北极冰盖（格陵兰

冰冠）外，还有三个较大的冰盖，其中每个冰盖的面积约为

258万

平方公里，它们是加拿大冰盖、斯堪的纳维亚冰盖和西伯利亚冰

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盖。

大概因为格陵兰是北半球冰川作用的发源地，所以邻近的加

拿大所受到的冰川作用比距离较远的斯堪的纳维亚以及更远的西

伯利亚大得多。由于加拿大冰盖发源于东北部，因此阿拉斯加的

大部分和太平洋大陆坡未受到冰川作用的影响，但是，加拿大冰盖

一直向南扩展，冰的边缘跨过了美国北部的大部分地方。在向南

的最大扩展中，冰界越过了华盛顿州的西雅图，到达北达科他州的

俾斯麦，然后转向东南，基本上沿着现代的密苏里河的路线延展，

经过奥马哈和圣路易斯，接着再向东，扩展到辛辛那提、费城和纽

约。南部边界似乎是沿着现在长岛的整个长度延伸的。

当冰盖扩展得最远时，冰盖在两极地区覆盖的陆地总面积有

4 400万平方公里，占地球现在陆地面积的

30%，是现在由冰覆盖

的陆地面积的

3倍。

对冰盖地区土壤中的沉积层仔细研究的结果表明，冰盖共有

4次进退。这

4个冰期中，每个冰期持续

50 000—100 000年。在

它们之间有

3个间冰期，这

3个间冰期都比较温暖，甚至比较炎

热，而且时间也长。

第四次也就是最近一次冰川作用大约在

18 000年前达到最

大限度，当时到达了现在的俄亥俄河。随后便缓慢地后退。在一

段时期内，后退的速度为每年

75米，由此可见其缓慢的程度。在

另一些地方甚至有局部的和暂时的重新前进。

大约在

10 000年以前，当文明在中东已经开始的时候，冰川

开始了最后的后退。到

8 000年前，北美洲五大湖区已经露出；到

5 000年前，冰川已后退到现今所在的地方（此时在中东已经发明

了文字）。

冰川的进退不仅在地球其余地方的气候上而且在大陆的形状

上都留下了痕迹。例如，格陵兰冰川和南极洲冰川现在都在退缩，

第四章 地 球

第四章 地 球

如果它们全部融化的话，海洋的水面会上升大约

60米，因而会将

各大陆的沿海地区全部淹没，包括世界上许多最大的城市，水位会

达到曼哈顿摩天大楼的第

20层。另一方面，阿拉斯加、加拿大、西

伯利亚、格陵兰、甚至南极洲，可能会成为更适合于人类居住的地

区。

在冰期的最高峰所发生的情况正好与此相反。那么多的水以

陆地冰冠的形式被冻结起来（冰的总量是现在的

3～4倍），因此海

平面的界线要比现在的界线低

130米。此时大陆架全部露了出

来。

大陆架是海洋连接大陆的比较浅的部分。海底大体上是逐渐

地倾斜到

130米的深处，然后骤然变陡，很快就达到相当大的深

度。从结构方面讲，大陆架是它们所连接的大陆的一部分，就是

说，大陆架的边缘才是大陆的真正边界。目前，洋盆中的水仍然很

多，大陆的边界还在水中淹没着。

大陆架在面积上并不小。大陆架在一些地方比另一些地方宽

得多。美国东海岸以外的大陆架面积相当大，而西海岸（正好处在

一个地壳板块的边缘）以外的大陆架面积却非常小。总的来说，虽

然大陆架的平均宽度为

80公里，但其总面积却达到

2 590万平方

公里。换句话说，一个比苏联还要大的潜在的大陆面积现在被淹

没在海水下。

在最大冰川作用时期露出来的正是这个地区。在最后的大冰

期中这个地区确实是露了出来。陆地动物的化石（如象牙）已经从

离开陆地几公里远的水面以下好几来深的大陆架中挖掘了出来。

而且，由于北半球的大陆部分被冰川覆盖，再往南雨量要比现在

多，所以撒哈拉沙漠当时是一片草原。撒哈拉是在人类历史开始

之前不久由于冰冠的后退才开始干旱起来的。

这样一来，适于人类和动物居住的地区是可变的。随着海平

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面下降，巨大的陆地面积变成了冰漠，而大陆架则因现代沙漠的增

长而变成了人类和动物居住的地区。随着海平面上升，低洼地区

进一步被淹没，两极地区则变成了可供居住的地方，而沙漠再次后

退。

由此可见，冰川作用时期并不一定是荒凉和灾难时期。在冰

川作用的顶峰时期，所有冰盖中的冰总共只占海洋总水量的

0.35%。因此，冰川的变动对海洋几乎没有什么影响。当然，浅水

地区的面积会大大减少，而这些地区又是富有生物的。另一方面，

热带海水的温度比现今的温度低

2℃～5℃，就是说水中溶有更多

的氧和含有更多的生物。

同时，冰川的前进和后退都非常缓慢，因此动物总的来说能够

适应，它们可以缓慢地向南或向北迁移。甚至有足够的时间来产

生进化适应能力，因而在冰期中长毛的猛犸象非常繁盛。

最后，冰川的变动看上去很凶猛，其实不然，因为冰川从来没

有全部融化过。南极洲冰冠自存在以来，在

2 000万年的时间里

相对地说没有改变，从而限制了海平面和温度的变化。然而我并

不是说我们不必担心未来。第五次冰川作用虽然有自身的许多问

题，但我们没有理由认为它最终不会到来。在以前的冰川作用中，

人类数量极少，而且是些猎人，他们沿着猎物的路径非常容易南北

迁移。在下一次冰川作用中，人类无疑会数量众多（如同现今一

样），而且他们借助城市和其他建筑物过着相对定居的生活。再

者，人类使用的各种不同技术可能会加快冰川的前进或后退。

冰期的成因

冰期的成因是冰期的一个主要问题。是什么力量使冰川前进

和后退的呢？为什么冰川作用的时间比较短？例如现在的冰川作

用在最近

1亿年中仅有

100万年的历史呢？

第四章 地 球

第四章 地 球

只要温度发生很小的变化就会引发或终止一个冰期，例如，温

度只要下降一些就足以使冬天的积雪到夏天融化不完，或者温度

只要上升一些就足以使夏天融化的雪比冬天下的雪要多。据估

计，只要地球的年平均温度下降

3.5℃，就足以使冰川增长；而地

球的年平均温度上升

3.5℃，则经过

100年左右南极洲和格陵兰

的冰川就会融化，使岩石露出来。

温度的轻微下降如果足以使冰的覆盖量在

2～3年内稍有增

加，就会使这一过程继续下去。冰面比裸露的岩石或土壤能更有

效地反射阳光；射到冰面上的阳光能被冰面反射

90%，而裸露的

土壤所反射的阳光不到

10%。冰的覆盖量稍微增加一点，就会使

阳光反射增多而吸收减少，因此使地球的平均温度再降低一点儿，

并且使冰的覆盖量又会加速增长。

同样，如果地球的温度稍有上升，正好达到足以使冰川有小的

后退的程度，则反射的阳光就会减少，而吸收的阳光就会增加，从

而加速冰川后退。

那么，导致这两种情形出现的作用过程是什么呢？

一种可能是，地球的轨道不是完全固定的，每年运行的轨道都

不完全相同。例如，近日点的时间就不固定。正是现在，地球的近

日点即太阳最靠近地球的时间紧跟在冬至之后。但是，近日点的

位置在不断地改变，每

21 310年绕轨道一周。同时，地轴的方向

也在改变，每

25 750年在天上画一个圆圈（岁差）。还有，地球的

实际倾斜度也有微小的改变，增大一点儿，然后又减小一点儿，处

在一种缓慢摆动的状态中。

所有这些变化都会稍微影响地球的平均温度，虽然影响不大，

但在某些时期足以引起冰川的前进或后退。

1920年，南斯拉夫物理学家米兰科维奇提出一种时间长度为

40 000年的周期性理论，其中“大春季”、“大夏季”、“大秋季”和“大

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冬季”各

10 000年。根据这个理论，地球在“大冬季”期间会特别

容易发生冰川作用，而且当其他因素也合适时实际上就会发生这

种情形。一旦发生了冰川作用，地球在“大夏季”很可能会发生冰

川消退作用，如果其他因素合适的话。

米兰科维奇的理论在提出时并未得到人们的赞同；但

1976

年，美国的海斯和英布里以及英国的

N. J. 沙克尔顿解决了这个

问题。他们研究了从印度洋的两个不同地方挖出的非常长的沉积

物岩心，这两个地方都处在远离陆地的浅海中，因此没有来自附近

海岸地区或较浅的海底的污染物质。

这些岩心是由

45万多年期间连续沉积的物质组成的。人们

看到，越靠岩心下部年代越久远。因此，可以研究微小的单细胞动

物的遗骸，这些不同种类的单细胞动物是在不同的温度下繁盛起

来的。根据这些遗骸的性质可以确定出温度。

还有，氧原子主要有两种不同的变体

①，而这两种变体的比例

随温度而变化。因此，通过测定岩心不同部位的氧原子比例，也可

以确定海洋不同时期的温度。

两种测量温度的方法是一致的，而两种方法测出的结果与米

兰科维奇周期非常相似。因此，地球可能相隔一段长时间就会出

现一个发生冰川作用的“大冬季”，就好像每年有一次下雪的冬季

一样。

但是，米兰科维奇周期为什么只在更新世期间发生，而在更新

世之前完全没有任何冰川作用的

2亿年中没有出现呢？

1953年，尤因和唐提出，原因可能在于北半球的特殊地理条

件。北极地区几乎全部是海洋，但却是一个被陆地包围着的海洋，

四周是几个大的陆块。

①指氧的同位素氧-16和氧-18。——译注

第四章 地 球

第四章 地 球

假设北冰洋比现在稍暖一些，只有很少一点海冰或者一点海

冰也没有，是一片连绵不断的液态水面。于是北冰洋便成为水蒸

气的来源，水蒸气在高空大气层中冷凝，然后以雪的形式降落。落

回海洋的雪都融化了，但落在周围陆块上的雪却积聚起来，从而引

起冰川作用：温度下降，北冰洋全部冻结。

在同样的温度下，冰比水释放的水蒸气少。如果北冰洋全部

冻结，那么，空气中的水蒸气就会减少，雪也下得少。于是冰川开

始后退，如果当时引发冰川消退作用，后退的速度会加快。

因此，只有当一个极区或两个极区有了被陆地包围的海洋时，

米兰科维奇周期才有可能引起冰川活动时期。有可能有数亿年的

时间没有这种被陆地包围的海洋，因而也没有冰川作用；后来，构

造板块的移动开创了这种局面，由此开始了

100多万年冰川有规

律地前进和后退的时期。但这个有趣的说法至今未被完全接受。

地球温度的变化确实不太规律，变冷和变暖的趋势也不稳定。

美国化学家比奇莱森和尤里一起测定了古代海生动物化石中氧原

子两种变体的比例，以便测出这些动物生活的水的温度。到了

1950年，尤里和他的研究小组已经把这项技术发展到了非常精确

的程度，例如，他们通过对一个有几百万年历史的动物化石（一种

已经灭绝的乌贼）的壳层所作的分析，确定了这个动物出生于夏

天，生活了

4年，在春天死去。

用这种“温度计”已经测定，1亿年前世界海洋的平均温度为

70℉左右，然后逐渐变冷，1000万年以后降到

61℉；然后又上升，

1 000万年以后上升到

70℉。从那时以来，海洋的温度一直在下

降。不管这种下降是由什么因素引起的，恐龙的灭绝可能和这个

因素有关（恐龙可能适应于温暖和稳定的气候），而且这个因素可

能促使那些能够维持恒定体温的温血鸟类和哺乳动物出现。

埃米里亚尼使用尤里的方法研究了从洋底岩心中取出的有孔

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虫壳。他发现， 3000万年前整个海洋温度约为 50℉，2000万年

前 43℉，而现在是 35℉（见图 4-8）。

100万年前

图 4-8 最近 1亿年期间海洋温度的记录

这些长期的温度变化是由什么引起的呢？一种可能的解释是

所谓的二氧化碳温室效应。二氧化碳能非常有效吸收红外线辐

射。因此，当大气中有大量二氧化碳时，就会阻止被太阳晒热的地

球在夜间将热量散发出去。结果是热量积聚起来。另一方面，当

大气中的二氧化碳含量下降时，地球会逐渐变冷。

如果目前空气中的二氧化碳浓度增加一倍（从空气的 0.03%

增加到 0.05%），这个微小的变化足以使全球的温度升高 3℃，从

而使大陆冰川全部迅速融化。如果二氧化碳减少到目前含量的一

半，温度就会下降到足以使冰川再一次向南扩展到纽约市地区。

火山活动会把大量的二氧化碳释放到空气中；岩石的风化作

用则吸收二氧化碳（于是形成石灰岩）。因此，这可能是长期气候

变化的一对机制。强烈的火山活动时期会把大量的二氧化碳释放

第四章 地 球

第四章 地 球

到空气中，从而使地球开始变暖。与此相反，造山作用时代把大面

积新的和未风化的岩石暴露在空气中，可以降低大气中二氧化碳

的浓度。这后一过程可能发生在大约

8 000万年前的中生代末期

（爬行动物时代），当时地球的温度开始长时期下降。

不管冰期的成因是什么，现在看来人类自己可能正在改变着

未来的气候。美国物理学家普拉斯曾经指出，我们可能会向最后

一次冰期告别，因为文明的火炉正在增加大气中的二氧化碳。目

前，上亿个大烟囱在不停地把二氧化碳送进空气中；每年总量约为

60亿吨，相当于火山释放的二氧化碳的

200倍。普拉斯指出，自

1900年以来，我们大气中的二氧化碳含量已经增加了

10%，到

2000年可能再增加

10%。根据他的计算，这些二氧化碳加入阻止

地球热量逃逸的“温室效应”，将会使地球的平均温度每

100年升

高大约

1.1℃。根据现有的记录（主要是北美洲和欧洲），在

20世

纪上半叶期间，地球的平均温度确实在按这个速率上升。如果按

同样的速率继续变暖的话，大陆冰川可能会在

1～2个世纪内全部

消失。

在国际地球物理年中所作的调查似乎也表明，几乎所有的地

方的冰川确实都在后退。根据

1959年的报告，喜马拉雅山脉的一

个大冰川从

1935年以来已经后退了

210米。其他一些冰川后退

了

300米，甚至

600米。适应于在冰冷水域中生活的鱼类正在向

北迁移，而且温带树木也正在向北推进。海平面每年都略有升高，

正如所预料的那样是冰川融化的结果。现在海平面已经很高了，

在涨潮时如果有强风暴出现，海水淹没纽约地铁的危险是非常可

能发生的。

但是，从

20世纪

40年代初期开始，温度似乎又略有下降，因

而

1880～1940年期间温度增加的一半已经消除了。这一变化的

原因可能是自

1940年以来空气中的灰尘和烟雾增加了：尘埃截住

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了阳光，在某种意义上来说也遮蔽了地球。看来人类对大气的两

种不同类型的污染现在正在成为相互抵消的效应，至少在这个方

面并且至少暂时是这样。

（潘书祥 译）

第五章 大 气

第五章 大 气

第五章 大气

大气圈层

亚里士多德认为世界是由

4个圈层所组成，即组成世界的四

大元素为：地（固态球体）、水（海洋）、气（大气层）以及火（看不见

的外层，偶尔以闪电形式出现时可以看见）。至于这

4层以外的宇

宙，亚里士多德则认为是由一种完美而超自然的以太所组成。

这样完整的结构没有任何空隙：地一结束，水便开始；等两者

都结束，空气接着开始；空气完了，火接着开始；火结束了，以太便

又跟着展开；如此一直到宇宙的尽头。这就是古人所谓“大自然厌

恶真空”的观念。

观测大气

过去有一种把水从井中抽上来的抽水机，可以相当确切地用

来说明这种“厌恶真空”的道理。在图

5-1中，活塞紧密地安装在

一个柱筒内，当抽水机臂向下压时，活塞向上升起，柱筒底部便形

成真空状态；但是由于大自然厌恶真空，因此周围的水便冲开柱筒

底部的一个单向阀门，充填原来真空的地方。如此反复地抽水，使

柱筒内的水位愈升愈高，直到水由抽水机的嘴部流出。

根据亚里士多德的理论，应该可以用这种方法把水提升到任

意高度。但是，矿工们却发现，他们把水由矿井底部抽上来时，无

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论压水压得再久，再怎么用力气，始终无法把水抽到超过水源水平

面 10米以上。

图 5-1抽水机原理。当压抽水机臂把活塞拉起时，柱筒内即产生部分

真空，水便由一个单向阀门进入柱筒内。如此反复动作，水面升到足够

的高度时便由嘴部流出

伽利略在他漫长而充满强烈好奇心的一生的晚年，逐渐对这

个令人困惑的问题感到兴趣。但他除了“大自然厌恶真空”很明显

地只能达到某个特定限度之外，并没有得到其他任何结论。同时

他也想知道，如果改用其他密度比水大的液体来代替时，这个限度

是否会降低？但不幸的是，伽利略没来得及做这个实验便去世了。

1664年，伽利略的学生托里拆利和维维阿尼做了这个实验。

他们选择密度为水 13.5倍的水银，把它装进一根长约 90厘米的

玻璃管内，用塞子塞住开口端，然后把玻璃管倒过来放进一个装满

水银的盆子中，再把塞子拿掉；这时管子中的水银便开始流入盆

第五章 大 气

第五章 大 气

中，但当管中水银柱面下降到离盆中水银平面以上约

76厘米（

30

英寸）高时，水银便不再从管中流出，而维持在那个高度上。

最早的气压计便是利用这个方法制成的。现代的水银气压计

与此也无本质上的不同。但过不多久就发现水银柱的高度并不总

是恒定不变的。17世纪

60年代英国科学家胡克发现，当暴风雨

来临之前，水银柱的高度就会下降。这可以说是科学的天气预报

或所谓气象学的开端。

到底是什么东西在支撑水银柱呢？当时维维阿尼便认为是由

于大气的重量压在盆中的液体上；这是一个革命性的想法，因为在

亚里士多德的观念中，空气是没有重量的，而只是在地表上一个

特殊的球形层次而已。现在我们已经知道，那约

10米高的水柱或

76厘米高的水银柱正是要测量的大气重量——即从海平面起向

上，在相同截面积上空气柱的重量。

这个实验同样显示大自然并非在所有情况下都厌恶真空。当

水银柱在管中降落时，管子的封闭端所形成的空间便是真空，其中

除了含有极少量的水银蒸气外，并没有任何东西在里面。这也就

是第一个人造真空即托里拆利真空。

从此，真空便立刻加入了科学贡献的行列中。

1650年，德国

学者基歇尔证明声音在真空中无法传播，因而曾一度支持了亚里

士多德的理论。10年之后，波义耳证明轻的物体与重的物体在真

空中下落的速度一样快，因而证明了伽利略的运动理论，而推翻了

亚里士多德的观点。

如果空气的重量有一定的限度，那么它的高度也一定是有限

的。实践证明大气的重量是

105牛顿/米2（14.78磅/英寸2）。据

此，如果大气在垂直方向上的密度保持均匀，则大气层高度大约只

有

8公里（

5英里）左右。但是波义耳在

1662年时已证明并非如

此，因为压力会增加空气的密度。他把两臂长度不同的

U形管竖

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起（图 5-2），然后在 U形管较高的一端倒入一些水银，于是水银

便在较短的封闭端内压缩了一些空气。当他再倒进更多的水银

时，空气体积便进一步被压缩，同时压力也增加了。波义耳发现，

当水银重量增加越多，封闭端空气柱的体积便压缩得越小。经过

更加精确地测量，波义耳证明当气体体积减为一半时，压力便增加

为两倍。换句话说，体积与压力是成反比的（图 5-2）。这个历史

性的发现被称为波义耳定律，它正是一系列发现的第一步，最后导

致原子理论的诞生。正由于空气受压力后要减小体积，因此在海

平面上空气的密度应最大。而随着高度的上升，因其上空气重量

逐渐减少，因而大气上层的空气便越来越稀薄。这个规律由法国

数学家帕斯卡在 1648年最早予以证实。当时他把小舅裴利尔送

到约 1 600米（ 1英里）高的山腰上，并且要他带上气压表沿途观测

气压表的水银柱是如何随高度的增加而降低的。

图 5-2波义耳的实验图。将 U形管的短（左）端塞住，向长（右）端中倒

入水银时，那短端被封闭的空气便被压缩。波义耳证明了那短端内被封

闭的空气体积与其压力成反比，此即为波义耳定律

理论计算的结果指出，如果在上升过程中温度一直保持不变

第五章 大 气

第五章 大 气

的话，则每上升

19.3公里（

12英里）的高度，大气压力将减为原来

的

1/10。换言之，在

19.3公里高的地方，大气所能支撑水银柱的

高度将由原来的

76厘米降为

76毫米。而在

38.6公里处，降为

7.6毫米；57.9公里高时则降为

0.76毫米，依此类推。当到了

173.8公里高度时，大气压力将大约只有

0.000 000 076毫米水银

柱高。这听起来似乎不大可能，但是即使如此，在

173.8公里高度

以上地球大气的重量仍有

600万吨之多。

事实上，这些数字不过是大约估计而已。因为空气的温度是

随高度而有变化的。然而，这些数字确实澄清了上述问题，同时也

使我们知道了大气是没有确定的上界的，它们渐渐地消失在那接

近真空的空间。一般流星的曳尾大约要到

161公里（100英里）高

度上才能被探测到，在那里大气压力只有地表的百万分之一，空气

密度只有地面的十亿分之一，但其空气阻力却已足够使流星物质

产生白热化的高温了。此外，由外层空间来的质点撞击造成的白

热化气体所形成的北极光，则发生在海平面上

805～966公里

(500～600英里）的高空之中。

大气旅行

从很早以前开始，遨游天空一直就是人们热烈向往的愿望。

风确实可以使树叶、羽毛和种子等较轻的物体在空中飞舞，而更让

人印象深刻的则是那些会滑翔的动物，例如鼯鼠、袋鼯，乃至飞鱼，

直到那些真正能够飞行的昆虫、蝙蝠以及鸟类。

人类企图模仿这些动物的渴望在神话及传说中留下了记载。

例如神及恶魔按惯例总是能在空中来去自如，而天使、仙女们在插

图中也都画有翅膀。另外，还有伊卡罗斯（见第三章），飞鸟佩伽索

斯，以及东方传说中的飞毯等都是。

风筝可以说是第一种至少能在天空中相当高地翱翔相当时间

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的人造工具。它是把纸张或其他类似物质铺开并粘在轻而薄的木

制骨架上，再加上稳定用的尾巴，以及控制它的细细长绳而构成。

风筝似乎是在公元前

4世纪时，由希腊哲学家阿契塔所发明的。

虽然风筝可以有许多实际用途，但几千年来一直主要是被用

在娱乐方面。风筝可以在开旷地区把提灯带到空中作为信号之

用；它也可以带着轻绳飞越过河流或峡谷，然后这些轻绳可以用来

把较粗的绳索拉过河的对岸，直到桥建成为止。

1749年苏格兰天文学家威尔逊最早把风筝应用于科学目的。

他把一个温度计装在风筝上，以测量某一高度的温度。更重要的

是

B. 富兰克林

1752年所放的风筝，我们将在后面第九章中再次

谈到。

在此后的一个半世纪当中，风筝（或类似能用于滑翔的人工器

具）虽因不够大且不够坚固，因而仍无法载人，但这个问题却在富

兰克林时代以另一种方式解决了。

1782年，两位法国兄弟

J. M. 蒙戈尔费埃，在一个底部有开口

的大袋子底下点火，使袋子里充满了热空气而逐渐上升，成功地施

放了第一个气球。之后的几个月内，气球屡经改良，且改用密度仅

为空气

1/14的氢气，使得每公斤的氢气可以负载

13公斤。因而

这种有吊篮的氢气球已经可以载动物和人。

在第一个气球升空后的一年内，一个名叫

J. 杰弗里斯的美国

人，乘坐带有气压计及其他仪器的氢气球飞越伦敦，途中还收集了

各个高度上的空气。1864年，法国科学家盖·吕萨克上升到将近

7 240米（4.5英里）的高空，并取下了一些稀薄空气的样品。由于

法国气球专家布朗夏尔在气球时代最颠峰的

1785年发明了降落

伞，而使得这种冒险行动较为安全。

然而，这个高度似乎已经是人们在开口吊篮气球中上升的极

限了。有三个人在

1875年上升到了

9 656米（6英里）的高空，结

第五章 大 气

第五章 大 气

果只有一名叫狄山迪尔的人在缺氧条件下幸存了下来。由于这名

幸存者描述了在高空时因空气缺乏而产生的症状，航空医学便由

此诞生。携带仪器的无人驾驶气球于

1892年被设计出来并开始

工作，它们能够上升到更高的高度，并从这些尚未探测的高度上带

回有关温度以及气压的资料。

在最初上升的数公里高度之中，正如我们所预期的那样，温度

是下降的。到了

11.3公里（

7英里）左右，温度为－55℃。但再上

升，温度变化却令人感到惊讶：在这个高度以上，温度不但不下

降，事实上反而有上升的趋势。

法国气象学家泰塞朗·德博尔早在

1902年就提出大气可能有

两层的假设：一层是包括风、云、暴风雨以及我们所熟悉的天气变

化的不稳定下层。1908年泰塞朗·德博尔称之为对流层（由希腊

文“变化的层”而来）。另一层即是包括像氦、氢的轻气体副层的较

稳定上层，泰塞朗·德博尔称之为平流层（即“含有多层”的意思）。

他把温度停止下降的那个高度称为对流层顶（即“（温度）变化停

止”之意），或称之为对流层与平流层间的边界。后来发现，对流层

顶的高度也是有变化的：由赤道地区的海平面上空约

16公里左

右到在两极地区上空只有大约

8公里。

第二次世界大战期间，美国高空飞行轰炸机在紧挨对流层顶

下方发现了一个令人注目的现象，即急流。它是一股强而稳定并

以每小时将近

800公里的速度自西向东吹的强风。事实上地球上

急流有两支：一支在北半球，包括美国、地中海、中国北部等纬度

的地区；另一支则在南半球，包括新西兰、阿根廷等纬度的地区。

这些气流经常迂回曲折地流入比它平均路径更南或更北的涡漩之

中。目前飞机常乘这股快速急流顺风飞行。但更重要的发现则

是，急流对大气中较低层次上气团的运动有极大影响。这项知识

立刻对天气预报艺术的提高产生了莫大的帮助。

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因为人类无法在稀薄而寒冷的高空大气中生存，因此必须设

计出一种气压、温度均保持与地面相同的密封舱。

1931年，皮卡

德兄弟（

A. 皮卡德和

J. F.皮卡德）乘一个密封的吊篮气球上升到

17.7公里的高空（其中的

A. 皮卡德在不久之后发明了深海潜水

箱）。自此以后，使用比丝绸更轻且孔隙更小的塑料物质制造的新

气球，能上升到更高的高空，且在高空停留更长的时间。

1938年，

一个命名为“探险者

1号”的气球飞升到大约

21公里的高空中。

到

1980年为止，由人操纵的气球能够升到约

37.8公里的高空，而

无人操纵的气球升到了超过

51.5公里的天空中。

由于能够上升得更高，于是人们发现，对流层顶以上近乎恒温

的层次并不是无限地向上延伸的。平流层在大约

32公里的高度

便结束了，从这里再向上，温度又开始上升。

由平流层再向上，就是空气质量只占地球大气总量

2%的高

层大气。由于有了更长足的进步，高层大气在

20世纪

40年代，终

于被新型的运载工具——火箭（见第三章）所穿越。

要读出记录高空状况仪器的最简单办法，就是把仪器自高空

取下直接看。由风筝带上空中的仪器可以很简单的取下来，但是

气球在这方面就不那么容易处理了，而火箭则根本不可能下降回

来。当然，仪器盒也可采取从火箭中喷射出来从而单独降落回地

面的方法，但这种方法不很可靠。事实上，火箭如果没有遥测技术

的发明，那它在大气探测上是不可能有多大用处的。最早把遥测

技术应用于大气研究的是苏联科学家莫尔恰诺夫，1925年他把遥

测仪器安装在气球上。

这种“远距离测量”的技术实际上就是把测量的状况（例如温

度）转换成电脉冲，然后用无线电发回地面，再观察脉冲波强弱或

间隔的变化情况。例如，温度的变化会影响到导线的电阻，也就改

变了脉冲的特性。气压的变化同样可以由某种类型的脉冲波来传

第五章 大 气

第五章 大 气

送，这是因为空气能使导线冷却，而冷却的程度则视气压大小而

定。辐射也能在探测器中发出脉冲，诸如此类皆是同样道理。现

在这种遥测传送已经精密到使火箭除了交谈之外什么事都能做的

地步。同时那些错综复杂的电信号也不得不交由快速的电子计算

机加以处理。

火箭及遥测仪观测的结果显示，在平流层以上，海拔

48.3公里

高度处，温度上升到一个最高值，即约－10℃。然后在

80.5公里高

度时又下降到－90℃。这个温度先升后降的层次称为中层，这个名

词是英国地球物理学家查普曼在

1950年时所创造的。

中层以上，只剩下地球大气质量十万分之几的稀薄空气。但

这里的大气原子虽然极稀少，温度却稳定地上升，到了

483公里高

度上，估计大约为

1 000℃左右，更高的地方温度可能还要高，于是

该层被称为热层，它恰好与亚里士多德原来所指的火层相一致。

当然，温度在这里已经并不意味着一般意义上的热，它只是表示质

点运动速率的一种度量罢了。

升过

483公里的高度，便进入了外逸层，这是斯皮策在

1949

年最先采用的名词。它延伸到大约

1 610公里的高空，而且渐渐

地消失于行星际的空间之中。

由于对大气知识的增加，使我们终于能够对天气真正做些事

情，而不只是谈论而已。到目前为止，已经有一个小小的起步了。

20世纪

40年代初期，美国科学家

V. J.谢弗以及朗缪尔注意到，

在温度非常低时，大气中会产生微小的细冰核，而雨滴正是在这种

微核上由水汽凝成的。1946年，一架载着固体二氧化碳的飞机，

将粉末投入云层，使之先凝结成核再形成雨滴。这就是所谓的播

云造雨。半小时以后真的下雨了。范内格特在不久之后发现，如

果从地面上发生碘化银烟粒或直接在高空引入碘化银烟粒效果会

更好，于是他改进了这项技术。这种人造雨能使干旱结束，当然在

最新科学指南（上）

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播云前首先要有这种云层。1961年，苏联的天文学家利用这种播

云造雨的方法，成功地把天空中的一块乌云消去，从而很好地观测

了日食。

其他关于天气改造的尝试，还包括台风催化，其目的是使台风

夭折或至少减小它的强度（播云造雨还可用来使危害庄稼的冰雹

不再形成，以及驱散云雾等等）。当然，我们总是希望这些努力的

结果都能如愿以偿，但却从未获得确实的成功。再谨慎的天气改

造

①总会在帮助一些人的同时伤害另一些人，例如，农民要求下

雨，但游乐园的主人可能并不希望如此。由此产生的诉讼案件对

天气改造的规划产生了消极的影响。因此，在这个问题上前景仍

然是不确定的。

火箭也不只是用于探测而已（虽然本书第三章中仅提到这种

应用），它们同样也能够并且已经应用在人类每天必需的服务上

了。事实上，某些形式的探测也有它直接的实际应用。如果我们

把一颗人造卫星（用火箭）发射到轨道上，它不仅能用来观测太空，

也可以把仪器转向地球。用这种方法我们首次看到整个地球（或

至少在某个时刻可以清晰地看到大部分的地区），并得以完整地研

究全球大气的循环。

1960年

4月

1日，美国发射了第一颗“天气眼”气象卫

星——泰罗斯

1号（即电视红外观测卫星）。同年

11月又发射了

泰罗斯

2号，并在

10周内送回了超过两万张的地球表面及其覆盖

云层的放大照片，其中包括一个在新西兰的气旋，以及当时在美国

俄克拉何马州上空产生龙卷风的一个云团。而在

1961年

7月发

射的泰罗斯

3号，拍摄了

18个热带风暴，该年

9月它比一般传统

方法早两天发现了加勒比海上空的正在发展的埃斯特飓风。于

①应为人工影响天气。——译注

第五章 大 气

第五章 大 气

1964年

8月

28日发射升空的更敏感的雨云

1号卫星，它能发回

在夜间拍摄的云层照片。此后，许多国家中数以百计的自动图像

传送站纷纷建立并投入运行，如果没有这些卫星资料，今日的天气

预报将会令人难以想象。现在美国每天每家报纸上都能刊出一幅

卫星云图照片。今日的天气预报虽然在定量上并不完全正确，但

已经不像

25年前那样，只是一种粗略的猜想而已。

更吸引人且更有用的是，气象学家们已经能够及时发现并且

追踪飓风的位置。这些强烈的风暴，现在比过去具有更大的破坏

性，因为第二次世界大战以后，沿海地区建筑物林立，人口也更加

稠密，因此要是没有对这些飓风位置以及动向的了解和预报，人们

的生命及财产损失无疑会比现在要严重好几倍。（就空间计划的

用途和价值来说，光是利用卫星追踪飓风所省下来的钱，就比空间

计划本身的花费要多得多！）

卫星对地球上的其他用途也陆续被开发出来。早在

1945年，

英国科幻小说家

A. C.克拉克就指出卫星可用于转播，使无线电信

号跨越大洲和大洋。只要有三个安置于适当战略地位的卫星，便

能够覆盖整个世界。这在当时只是一个疯狂的梦想，却在

15年后

逐步实现了。

1960年

8月

12日，美国发射了回声

1号，它是一个

利用聚酯做成的薄气球，外表涂了铝。这个气球充气后直径达

30

多米，用来作为无线电波的被动反射器。这项成功计划的领导者

就是贝尔电话实验室的波尔斯，他也曾用笔名写过科幻小说。

1962年

7月

10日，美国发射了电星

1号通信卫星，它除了反

射电波之外也接收电波，并将接收的电波放大后再发射出去。借

助于电星

1号，电视节目终于第一次越过了大洋。

1963年

7月

26

日，同步通信卫星辛康

2号被发射到距地面

35 890公里（22 300英

里）高空的卫星轨道上。它的轨道周期恰好是

24小时，因此定位

于大西洋上空，与地球作同步旋转。同步通信卫星辛康

3号也以

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同样同步的方式，布置在印度洋上空，利用这颗卫星，

1964年

10

月曾把日本奥运会实况转播到了美国。

更复杂的通信卫星晨鸟号在

1965年

4月

6日发射升空，它拥有

240个通信频道及一个电视频道可供使用。同年苏联也发射了一个通

信卫星。到了

1970年，由于卫星转播，电视、广播、无线电话基本上已

成为全球性的通信工具，从而使地球真正成为“一个世界”。

卫星当然也可用来绘制地球表面及研究云层，卫星还可以大

尺度地研究积雪、冰川移动以及一些地理上的详细资料。后者虽

然没有前者明显，但却同样也是事实。根据这些地理上的详细资

料，还可确定地下储油的地区。此外，卫星还可用来研究大范围的

森林和农作物，那些有不正常现象或疾病分布的地区，也都可在卫

星图片中精确地被指示出来。同时还可以找出发生森林火灾的地

区，以及需要灌溉的区域等等。其他如海洋中的海流以及鱼群的

移动等，同样都能用卫星来加以研究。正因为这些地球资源卫星

是如此的重要，所以这也正是对质问为何面临许多“发生在自己家

乡”的重大问题而却仍把大量金钱花费在空间的那些人的最直接

的回答。因为毕竟这些问题只有从空间才能够做最佳的研究，并

且找出解决的方法。

最后，在轨道上还出现了许多所谓的间谍卫星，用来侦察军队

的行动、集结及储备等状况。更有不少人计划使空间成为另一个

战场，甚至发展出杀手卫星，用来击落敌人的卫星或安置更先进的

武器于空间，以便能比地基武器进行更迅速的攻击。

空气中的气体

低层大气

直到现代，空气总被人们认为是单纯、均匀的物质。到

17世

第五章 大 气

第五章 大 气

纪初，比利时佛兰芒族化学家范黑尔蒙特怀疑空气中存在着化学

性质不同的气体。他研究发酵果汁中所放出的气体（二氧化碳），

认为那是一种新的物质。事实上，他是第一个使用气体这个名词的

人，他认为气体这个词是大约在

1620年间由希腊字“浑沌”

——

宇宙形成时生成的原始物质而来的。1756年，苏格兰化学家布莱

克充分地研究了二氧化碳，并确认它是与空气不同的气体，甚至他

还指出了空气中也有这种气体少量存在。10年之后，卡文迪什研

究了一种大气中尚未发现的可燃气体，后来命名为氢。这表明了

大气成分的复杂性。

第一个证明空气是混合气体的人，是法国化学家拉瓦锡。他

在

18世纪

70年代所做的实验中，把汞放在密闭容器中加热，发现

汞与部分空气化合，生成一种红色的粉末（即氧化汞），但原来空气

的

4/5仍是气体。再继续加热，也无法继续消耗这些剩余气体。

蜡烛无法在其中燃烧，老鼠也无法在其中生存。

拉瓦锡于是认定空气是由两种气体组成的。在他的实验中与

汞化合的那

1/5气体，是空气中支持生物生存与燃烧的那一部分，

这一部分他称之为氧，其余部分他称之为氮（源自希腊文，意思是

“无生命”）。不久后，氮就熟为人知，因为这种物质存在于硝酸钠

（即硝石）之中。实际上这两种气体都已在这

10年内发现过，氮是

在

1772年由苏格兰医生拉瑟福德所发现，氧则是

1774年由英国

一位论派牧师普里斯特利所发现。

仅是这些，就足以证明地球上的大气在太阳系中是独一无二

的。除了地球以外，太阳系中其他七个星球也已知有大气存在。

木星、土星、天王星以及海王星上均可能有氢气层（木星和土星上

肯定有氢气层），并有少量氦成分。火星、金星则有二氧化碳大气

层，并含少量的氮成分。土卫六则有氮气层，并含少量的甲烷成

分。只有地球的大气含有两种主要气体，也只有地球的大气中氧

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是一种主要成分。氧是一种活泼的气体，由普通的化学常识可知，

它会与其他元素化合而从大气中消失。这在本章后面还要讨论，

现在让我们继续探讨空气中化学成分的组成。

在

19世纪中叶以前，法国化学家勒尼奥分析了世界各地的空

气样本，发现各地的空气成分均是相同的。氧的含量是

20.9%，而

空气中的其余部分除了微量二氧化碳以外，均假定都是氮。

氮是一种比较具有惰性的气体，即它不易于与其他物质化合。

但它仍然可以被迫与某些物质化合。例如把它和镁一起加热后便

生成固体的氮化镁。在拉瓦锡的发现后几年，卡文迪什尝试利用

电火花的影响，使氧、氮化合，把氮用尽。但他失败了，不管他怎么

做，总是无法将略小于原量

1%的残余气泡除去。于是他认为，这

可能是另一种未知气体，而且比氮的惰性更大。但是，并非每个人

都像卡文迪什那样对这个问题感兴趣，因此这个谜当时并未继续

研究下去，从而使这种残余气体的性质，在此后的一个世纪中都没

有弄清楚。

1882年，英国物理学家瑞利勋爵把从空气中取得的氮的密度

和某些特定化合物中氮的密度相比较时，惊讶地发现空气中的氮

的密度肯定要大。这是否是因为从空气中得到的氮不纯，含有其

他较少量但较重的气体呢？一位苏格兰化学家拉姆齐帮助瑞利勋

爵进一步研究了这个问题。他们把空气中耗尽氮后所剩下的少量

气体加热，结果在光谱分析中发现了一组新的亮线，那是不属于任

何已知元素的光谱线。他们把这个新发现的极不活泼的元素称为

氩，由意为“迟钝”的希腊字演变而来。

氩几乎完全地说明了空气中剩下的

1%未知气体。但大气中

仍会有好几种待找的痕量气体成分，只不过每种成分大都只占百

万分之几而已。在

1890年间拉姆齐继续发现了另外

4种更惰性

的气体：氖、氪、氙，以及

30多年前就在太阳光谱中发现的氦。近

第五章 大 气

第五章 大 气

几十年来，由红外线光谱仪又发现了其他

3种气体：氧化亚氮（即

笑气），其来源不太清楚，以及由有机物腐败产生的甲烷和一氧化

碳。甲烷乃是在沼泽地释放出来的，另外据估计，每年牛群和别的

大动物肠子中排出大约

4 500万吨同样的气体进入大气之中。而

一氧化碳则多半是人为造成的，即由于木柴、煤或汽油等的不完全

燃烧所产生的。

平流层

到目前为止，我们只探讨了最低层大气的组成，平流层的情况

又如何呢？泰塞朗·德博尔相信那里会有一定数量的氦和氢，漂浮

在一些比较重的气体上面。但是他错了。在

20世纪

30年代中

期，苏联的气象专家在上层平流层取回了一些空气样本，证实了其

组成仍和对流层相同，即氧和氮以

1:4的比例组成。

但是仍有许多理由使人相信在更高的高层大气中仍有特殊的

气体存在，其中一个理由就是气辉现象。这是在整个夜空中所出

现的非常微弱而普遍的亮光，即使无月夜也是如此。大气气辉的

总亮度显著地比星星大，只是因为它分散漫射，以致于除了灵敏聚

光的天文仪器外，不容易观测到。

多年来这个光的来源一直是个谜。1928年，天文学家斯里弗

成功地在气辉中探测到一些奇异的光谱线，与

W.哈金斯在

1864

年于星云中所发现的光谱线相同，因而被认为是一个未知的元素，

称之为气。1927年，通过实验室实验，美国天文学家

I. S. 鲍恩指

云

出，这条光谱线来自氧原子，也就是以单独一个原子形式存在的

氧，而不是一般双原子即以分子形式存在的氧。同样地，在大气气

辉中找到的其他光谱线，也证实是来自氮原子。在高层大气中的

氧原子以及氮原子，是由于太阳的高能辐射使得分子分裂成为单

一的原子——这种可能性是查普曼在

1931年首次提出的。很幸

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运，这些高能辐射在到达低层大气之前就已经被吸收或减弱了。

查普曼认为，大气气辉是白天被太阳能所分裂的原子，在晚上

重新结合之后所放出来的。在这个重新结合的过程中，原子放出

了在分裂时所吸收的能量，因此，大气气辉可以说是太阳光以一种

新而特殊的形式出现的滞后和微弱的回复。

1956年在席里可夫

的领导下，在实验室中和利用火箭在高层大气中进行了实验，为这

个理论提供了最直接的证据。由火箭所携带的光谱仪，在

96.6公

里（60英里）的高空非常清楚地记录下氧原子的绿色光谱。在这

里氮只有很少一部分以原子形式存在，因为氮分子彼此结合的能

力要比氧来得强。但是到了

153公里（

95英里）的高空，氮原子的

红色光谱线就相当强烈了。

斯里弗还在大气气辉中发现了类似于我们已知的钠光谱线。

由于在高空钠的存在似乎是不可能的事，因此使事态陷入了困惑

之中，究竟钠在高层大气中起些什么作用呢？因为它根本不是气

体，而是一种非常活泼的金属，以致于在地面上无法单独存在，通

常都和其他元素化合在一起，最常见的是氯化钠，也就是一般餐桌

上的食盐。到了

1938年，法国科学家证实那确实是和钠一模一样

的光谱线。不论是否可能，钠确实存在于高层大气中。火箭实验

也证实了这件事，他们使用的光谱仪无误地记录下了钠的黄色光

谱线，其中以

88.5公里高度处最为强烈。钠究竟从何而来？仍然

是一个谜，也许是来自含盐的海水浪花的水沫，或是来自气化的陨

石？更令人困惑的是

1950年在大气的气辉中又发现了锂，一种钠

属的稀有元素。

在实验过程中，席里可夫小组制造出了人造气辉，他们把火箭

发射到若干公里的高空中，然后释放出一氧化氮气体云，它加速了

高层大气中氧原子的重新结合，在地面上的人便很容易看到由此

产生的亮光。同时一个以钠蒸气所做的类似试验也成功了，它产

第五章 大 气

第五章 大 气

生了清晰可见的黄色光芒。1959年

10月，苏联科学家发射月球

3

号探测器时，就是利用释放钠蒸气云作为它进入轨道时的可见信

号的。

在大气的稍低层次上，原子氧不见了。但是太阳辐射仍具足

够的能量，因而导致

3原子氧——俗称臭氧的诞生。臭氧的浓度

在

24公里处最大，因而此处称为臭氧层。这是

1913年由法国物

理学家法布里首次发现的。这里的臭氧含量虽然只占空气总量的

1/4 000 000，但已足以吸收掉大量紫外线，从而保护了地球表面的

生命。

臭氧是由氧原子（单原子）和氧分子（双原子）结合而成。因为

它并不稳定，所以无法大量积累。这种

3原子的氧分子很容易因

太阳光作用，以及大气中自然产生的微量一氧化氮，或者其他化学

物质的作用，而分解成更稳定的双原子形式。臭氧不断形成与分

解的平衡，使臭氧层中总是维持一定浓度的臭氧。由于臭氧大量

遮蔽吸收了太阳光中的紫外线（紫外线会把一些对生命组织很重

要的纤弱分子破坏掉），因而保护了地球上的生命。这种过程自氧

首次在地球大气中大量出现以来就已经开始了。

臭氧层位于对流层以上不远，其高度的纬度分布和对流层顶

也相同：两极最低，赤道最高。臭氧浓度亦在两极地区最高，而赤

道地区因阳光分解作用最强而浓度最低。

如果因为人类科技所产生的某些物质加速了大气中臭氧分解

的速度，因而削弱了臭氧层的遮蔽吸收效应，将是非常危险的。因

为遮蔽效应的减弱将造成到达地面的紫外线增加，从而造成皮肤

癌发病率的上升，尤其是那些皮肤白哲的人更加如此。据估计，臭

氧遮蔽的效应减少

5%时，地球上每年大约会增加

50万个皮肤癌

的病例。紫外线的强度增加，又会影响到海水表层的微生物，如一

些浮游生物，这可能会带来可怕的后果，因为这些浮游生物乃是海

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洋生态中食物链的基础，在某种程度上也是陆地上食物链的基础。

因世界科技发展而影响到臭氧层的危险确实是存在的，喷气

飞机在平流层中飞行，以及火箭穿过大气层进入空间时，这些运载

工具所排放出来进入高层大气的化学物质，都可设想到会加速臭

氧层的破坏。在

1970年初，这个可能性就被用来作为反对发展超

音速飞机的一个理由。

1974年，又意外地发现喷雾器可能也具有同样的危险性。这

种器具使用封闭的氟里昂（我们将在后面第十一章再来讨论这种

气体）作为压力源，将瓶中的物质，如发水、除臭剂、空气清洁剂等

呈雾状喷射出来。在化学上，氟里昂本身是无害的，它可看作是一

种无色、无臭、不活泼、不起化学作用和对人类没有影响的物质。

每年大约有

77 110万公斤的氟里昂从各种器具中散布进入大气

中。

这种不与任何东西反应的气体，慢慢地进入大气层，最终来到

了臭氧层，在这里它便可能加速臭氧层的分解破坏。这个可能性

源于实验室中的实验，至于在真正的高层大气中是否真的如此，仍

然无法确定。但是这个可能性总是表示了一种危机，如果以一种

漫不经心的态度去对待它，将会造成极大的危险。自从有了这个

争论之后，氟里昂喷雾器的使用数量便大大地减少了。

然而，氟里昂却仍大量地在空调及电冰箱冷冻方面使用，而这

方面是不易不用或被取代的。因此臭氧层仍受到威胁，因为这些

氟里昂一旦生成，迟早会排入到大气层之中。

电离层

到了更高空，臭氧并不是惟一的大气成分，更远程的火箭实验

证实，泰塞朗·德博尔关于氦气层与氢气层的猜测是对的，只是位

置弄错了。由

322公里（

200英里）上升到

966公里（

600英里）的

第五章 大 气

第五章 大 气

高空，大气已经稀薄到接近真空。在这里有一层氦气层，现在叫做

日光层。这一层的存在，是

1961年由比利时物理学家尼柯列特由

回声

1号卫星所受摩擦阻力而推断出来的。而这个推断则由

1963年

4月

2日发射的探险者

17号对其周围稀薄气体环境的分

析而得到了证实。

在日光层上方，是一层更稀薄的氢气层次，叫做质子层，该层

约向上扩展到

64 370公里（40 000英里），然后便逐渐过渡到通常

星际空间的密度。

在高温高能的辐射下，不仅能迫使原子分裂或重新结合，也能

将原子的电子轰击掉，从而把原子离子化。失掉电子的原子称为

离子，不同于一般带有一个电子的正常原子。离子这个词最早由

英国学者休厄尔在

1830年所采用，系由希腊词“旅行者”演变而

来。其原因是因为当电流通过带有离子的溶液时，带正电的离子

会朝一个方向运动，而带负电的离子则朝另一个方向运动。

一位名叫阿伦尼乌斯的年轻的瑞典化学系学生，在

1884年第

一次提出离子乃是带电的原子，用来作为某些特定溶液能够导电

的解释。在他的哲学博士论文中所提出的这种观念是如此具有革

命性，以致于教授们几乎不让他的论文通过。由于当时原子中带

电的质点（电子）尚未被发现，因此带电原子的概念显得十分可笑。

最后阿伦尼乌斯还是得到了学位，但是以刚好通过的最低成绩得

到的。

直到

19世纪

90年代末期电子被发现之后（见第六章），阿伦

尼乌斯的理论立即显得惊人的合理。这篇

19年前差点使他得不

到学位的论文，却使他在

1903年荣获了诺贝尔化学奖。我们不得

不承认，这听起来好像是不可能发生的电影剧本情节，但在科学发

展的历史中，却确实有许多类似这种使好莱坞都显得缺乏想象力

的小插曲。

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一直到马可尼开始他的无线电实验之后，才发现大气中存在

有离子。1901年

12月

12日，他从康沃尔发射无线电信号，横越

了

3 380公里的大西洋到达纽芬兰，震惊了科学家们。无线电波

是沿直线进行的，那么电波是怎样沿地球的曲面传送到纽芬兰的

呢？

一位英国物理学家亥维赛以及一位美国电机工程师肯涅利不

久后提出，无线电信号可由高层大气中的带电质点层反射回来。

该质点层被称为肯涅利-亥维赛层，但直到

1922年才最终找到它

的位置，英国物理学家阿普顿在研究无线电传输的奇异衰减现象

时发现了此层的存在。他认为，这种衰减现象是两种相同信号互

相干涉的结果：一种是直接来自发射器的信号，另一种则是由高

层大气反射回来的信号。这个延迟到达的反射波和原波之间有相

差存在，于是两波部分地互相抵消，造成了信号的衰减。

要找到这个反射层的高度并不困难，阿普顿所需要做的只是

发射这样一个信号，其波长能使直接发射信号与反射信号恰好抵

消，也就是这两个信号能恰好在异相时会合。根据所发信号的波

长和已知的无线电波速，他便能计算出这两组波传播距离的差异。

用此方法，他在

1924年确定肯涅利-亥维赛层的高度大约是

105

公里（65英里）。

这种无线电信号衰减的现象通常发生在夜间。

1926年阿普

顿发现，接近傍晚时无线电波并不是由肯涅利

-亥维赛层而是由更

高层（现在有时称阿普顿层）反射回来（图

5-3），这层高度约为

225公里（140英里）。

所有的这些发现，使阿普顿获得了

1947年诺贝尔物理学奖。

他划定了大气中称为电离层的重要层次。电离层这个名词是苏格

兰物理学家沃森·瓦特在

1930年引用的，它包括了后来命名的中

层及热层。现在则分为好几层，平流层以上到约

105公里（

65英

第五章 大 气

第五章 大 气

图 5-3大气层剖面图。锯凿线代表电离层中肯涅利-亥维赛层及阿普

顿层反射的无线电信号。空气密度随高度增加而减小，以海平面上大气

压的百分比表示

里）是 D区，在这之上是肯涅利-亥维赛层，称为 D层。D层以上

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一直到约

225公里（140英里）左右是

E区。这是一个离子相当稀

少的过渡地带。接下来就是阿普顿层：包括

225公里高的

F1层

及

322公里（

200英里）高的几层。F1层离子最丰富，F2层则只有

在白天时才显著增强，在这两层之上则是

F区。

以上这几层只能反射与吸收一般无线电台发射的长波，像电

视所用的短波则大部分能穿透过去。所以，电视播放的范围有限，

但这个限制可用天空中运行的卫星转播站来补救，使现场电视节

目得以横越大洋和大陆。同样地，由空间传来的无线电波，例如来

自射电星的，也能穿过电离层，否则，地球上便不能发展出射电天

文学。

经过一整天的太阳辐射效应之后，电离层在白天结束时达到

最强，但黎明时又减弱，因为大量离子和电子又会重新结合。太阳

上的扰动也会强化传向地球的质点流和高能辐射，从而使离子层

更强更厚。在这电离层以上的层次也闪烁着极光的景象。在发生

这些电子风暴时，地面上无线电波的长距离传播都会受到干扰，有

时甚至连整个信号都中断了。

事实证明电离层只是环绕地球的辐射带之中的一条。至于大

气层之外的情形又如何呢？1958年，探测卫星在过去认为是“空

空洞洞”的太空发现了一项令人惊奇的事实。为了理解这个事实，

我们现在暂时先离开本题，来谈一谈“磁”这个主题。

磁 铁

磁铁的名称来自古希腊马格尼西亚镇，最早的天然磁石就是

在那里发现的。这是一种具有天然磁性的氧化铁，传说在公元前

550年米利都人泰勒斯是第一位描述磁铁的哲学家。

第五章 大 气

第五章 大 气

磁与电

古代的人们发现，经天然磁石摩擦过的钢针能够被磁化，而且

如果将这根针放置在某一转轴上，使其在水平面上自由转动，它将

会静止在近乎南北的方向上。这种针对船员很有用处，虽然波里

尼西亚人不靠指南针也能设法逐岛跨越太平洋，但实际上罗盘已

经成为海上航行不可缺少的物品。

没有人知道是谁首先把这样的一根磁针放置在一个旋转的轴

上，并且把它密封在一个盒子中而制成罗盘。中国人被认为是第一

个制成指南针的人，并且把它传给阿拉伯人，再由阿拉伯人传到欧

洲人手中。但无论如何，在

12世纪时，罗盘在欧洲已经开始使用。

而且在

1269年，由一位以拉丁文名字闻名的法国学者佩雷格里诺

斯作了详细的描述。佩雷格里诺斯称磁铁指北的那一端为北极（或

N极），另一端为南极（或

S极）。

人们自然会问为什么磁针会指向北方呢？由于磁铁会吸引其

他的磁铁，因此有人认为有一座巨大的磁山位于磁针所遥指的北

方（在《天方夜谭》水手辛巴达的故事里讲的大概就是这样一座

山）。有些人甚至更浪漫地赋予磁石以灵魂及生命。

对磁铁的科学研究开始于吉伯，他是伊丽莎白一世的宫廷医

生，也正是他发现地球本身就是一个巨大的磁铁。他安装了一根

经过磁化的针，使它能在垂直的方向上转动。这就是所谓的磁倾

仪。这种磁针在北极一端倾向地面，产生一个倾角——磁倾角。

当他使用一个球形的天然磁石作为地球的模型时，吉伯发现当磁

针放在他的模型地球的北半球之上时，磁针的倾斜表现与前面所

述完全相同。1600年，吉伯出版了一本名为《磁铁》的经典著作，

公布了这一发现。

有很长一段时间，科学家推测地球内部可能有一块巨大的铁

质磁石作为核心。虽然地球确实具有一个铁质核心，但现已确定

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这个核心不可能是磁铁，因为铁被加热到

760℃时，便丧失强烈的

磁性，即所谓铁磁性，而地心的温度至少有

1 000℃。

一种物质失去其磁性时的温度叫做居里温度，这个特性是在

1895年由皮埃尔·居里最先发现的。钴和镍，在许多方面都与铁

相似，也都是铁磁性物质。镍的居里温度是

356℃，钴则为

1 075℃。在低温时，某些其他金属也具有铁磁性，例如在－188℃以

下，镝就具有铁磁性。

一般而言，磁性是原子本身的一种特性。但在大部分物质中，

这些具有磁性的原子都是随机排列的，结果大部分的磁效应都互

相抵消了。即使如此，还是能经常显示出微弱的磁性来，这就是所

谓的顺磁性。磁性的强度是以磁导率来表示的。将真空的磁导率

定为

1.00，一般的顺磁性物质的磁导率则在

1.00与

1.01之间。

铁磁性物质则有高得多的磁导率。镍的磁导率是

40，钴是

55，铁则为数千。

1907年法国物理学家外斯假设在这些物质中存

在着磁畴，一些很小的区域，其直径大约在

0.001厘米～0.1厘米

之间（现已确切地探测出来）。在这个范围内原子磁体排成一列，

因而互相增强，使整个磁场也随着增强。而在一般未磁化的铁中，

这些磁畴本身都杂乱地排列着，因此互相抵消了磁效应。当这些

磁畴受到其他磁铁的作用时，便会有规则地排列起来，于是铁就被

磁化了。在磁分子重新组合的过程中，磁力确实会产生一些喀哒

声与咝咝声，这些声音经过适当放大之后可以被测出来。我们称

这种现象为巴克好森效应，是德国物理学家巴克好森发现的。

在反铁磁物质中，例如锰，它的磁畴也都排成一列，只是每一

磁畴的极性互相交错，因此大部分磁性都抵消了。但在某一特定

温度以上这些物质也会失去其反铁磁性，而变成顺磁性。

既然地球的铁核本身不是一个永久磁铁，且也已超过了居里

温度，那么只能用其他方法来解释地球影响罗盘指针的能力了。

第五章 大 气

第五章 大 气

这个解释方法可从发现磁电关系的英国科学家法拉第的研究中发

展出来。

在

19世纪

20年代，法拉第开始进行佩雷格里诺斯首次描述

的那个实验。这个实验到现代仍然使许多学物理的年轻学生觉得

很有趣。那是把一些铁粉撒在一张纸上，纸下放一个磁铁。轻轻

地敲击这张纸，经过振动后的铁粉就有排列在磁铁北极到南极之

弧线上的倾向。法拉第认为这就是真正的磁力线，由这种线形成

磁场。

法拉第一直被丹麦物理学家奥斯特在

1820年观察到的磁现

象所吸引。当时奥斯特看到，当导线上有电流通过时会使罗盘指

针偏转。法拉第得出结论，电流会在导线周围产生磁力线。

安培在奥斯特的发现之后，立刻开始研究载流导线，这使法拉

第更加确信自己的想法。安培指出，两条载有同向电流的平行导

线会互相吸引，载有相反电流的导线则互相排斥。这与两个磁铁

的北极（或两个磁铁的南极）在一起时会相互排斥，而一个磁铁的

北极与另一个磁铁的南极在一起时则会互相吸引的情况非常相

似。更有意思的是，安培证实，当给一个圆筒形的线圈通过电流

时，它的状况就像是一个磁铁棒一样。为了纪念他的研究，

1881年

把电流强度的单位正式定名为安培。

后来，法拉第想到（法拉第是科学历史上最有直觉能力的科学

家），如果确实如此，如果电流能产生磁场，就像载流导线能表现得

像磁铁一样，那么反过来是否也行呢？难道磁铁就不能像化学电

池一样也产生电流吗？

1831年，法拉第做了一个可以说是改变人类历史进程的实

验。他把两个线圈分别缠绕在一个铁环的两段上，然后把第一个

线圈接上电池。之所以这样做是因为他认为如果在第一个线圈上

通上电流，将会在铁环内产生磁力线，而感应出来的磁性应该在第

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二个线圈中产生电流。为了测出这个电流，他把第二个线圈上接

上了电流计——由德国物理学家施魏格于 1820年设计的用以测

量电流的一种仪器。

但是这个实验并不像法拉第所预期的那样进行，第一个线圈

中的电流并没有在第二个线圈中产生任何电流。但是法拉第却注

意到，在他接通电流的那一刹那，电流计指针迅速地跳动了一下，

而当他切断电流时，指针却朝相反的方向也跳动了一下。于是他

便立刻猜想到，是磁力线在导线中的运动而不是磁性本身产生电

流。当电流在第一个线圈流动时，会产生一个磁场，当磁场扩张并

横切第二个线圈时，就在其中产生了短暂的电流。相反地，当来自

电池中的电流被切断时，那渐渐消失的磁力线又横切过第二个线

圈，于是产生了另一次短暂的电流，而且方向恰好与前次的电流相

反。

于是法拉第发现了电感原理，并且创造出第一个变压器。他

接着用一根永久磁铁在线圈中移入移出，而更明确地证实了这个

现象。虽然没有电源，但只要磁力线横切过线圈，就会有电流在线

圈中流动（图 5-4）。

图 5-4法拉第电磁感应实验之一。当磁棒在线圈中移入移出时，由于

导线切割磁力线而在线圈中产生电流

第五章 大 气

第五章 大 气

法拉第的发现不仅直接导致发电机的发明，而且也为麦克斯

韦的电磁理论奠定了基础。这个理论把光以及其他形式的射线

（例如无线电波）统一起来，形成了电磁辐射的概念。

地球的磁场

现在，由磁和电的密切关系，我们就可以明白地球的磁力现

象。指南针已循迹描出了地球的磁力线，从位于加拿大北部的磁

北极出发，一直到位于南极大陆边缘的磁南极为止。这两个磁极

偏离地理两极约

15个纬度。而地球的磁场已经由火箭所携带的

磁力计在高空中测出来。最新的观点认为，地球的磁力可能源于

内部深处的电流。

物理学家埃尔萨塞提出，地球本身的自转使内部熔化状态的

铁核形成自西向东转的旋涡。这旋涡便产生了同样由西向东流动

的电流。这就像法拉第的线圈中产生磁力线一样，在地球内部旋

转的电流也产生磁力线，因此产生了一个由北到南的内部等效磁

铁。这个等效磁铁说明了地球上普遍存在的磁场为什么是大约沿

着地轴，以致于磁极与地理上的南北极非常接近（图

5-5）。

太阳也有一总的磁场，强度大约是地球磁场的

2～3倍。而太

阳上局部的磁场则显然与太阳黑子有关。其强度约为地球的数千

倍。由于我们知道强磁性会影响放射出的光波的波长，这就使我

们能研究这些磁场。而这些研究的结果告诉我们，太阳里也有电

荷环形流动。

实际上，太阳黑子有很多令人费解的特征。一旦这些局部磁

场能以天文学的尺度加以解决时，这些难以捉摸的特征所产生原

因便能得出解答。在太阳黑子的循环过程中，这些黑子只出现在

特定的纬度上，而这些纬度也随着循环运动而位移。这些黑子有

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一定的磁方位。并且在一个新的循环过程开始时黑子的磁力位会

发生倒转。因此，由某个磁方位的极点到下次同样一个磁方位的

极点为一个周期，平均为 21年左右。有关黑子活动的原因目前尚

不十分清楚。

图 5-5埃尔萨塞的地球磁场产生理论。熔融的镍-铁地核物质的运动产

生了电流，然后再由电流产生磁力线。虚线表示地球的磁场

我们并非一定要在太阳上寻找有关磁场之谜的答案。地球本

身就存在着这个问题。例如，为什么磁极不与地理的两极一致呢？

磁北极与地理北极相距约 1 600公里，磁南极与地理南极同样也

第五章 大 气

第五章 大 气

相距约

1 600公里。而且这两个磁极在地球球体上并不正好相

对。一条贯穿地球连接这两个磁极的直线——磁轴——也不通过

地球中心。

此外，当我们沿着东西方向行走时，指南针会发生偏离真北

（地理北极方向）的不规则变化。事实上，哥伦布在第一次航行时，

罗盘就曾发生偏移，但他瞒着他的水手们，以免他们因害怕而迫使

他返航。

这是使用磁性罗盘定向不能非常准确的原因之一。

1911年，

一种非磁性指示方向的方法由美国发明家斯佩里研制出来。利用

厚缘轮快速旋转时的一种倾向可以抵消它的旋转面由地球自转所

引起的改变。这种厚缘轮就是一种回转仪，也称陀螺仪，它是由首

先证明地球自转的傅科研究出来的。斯佩里利用了它的上述优

点，制成了陀螺罗经，使指针维持在某一确定方向上，为船舰及火

箭导航。

尽管磁罗盘不是尽善尽美，但它还是为人类服务了好几个世

纪。磁针偏离真北的程度还是可以容许的。哥伦布之后一个世

纪，也就是

1851年，英国人诺曼完成了第一张表示世界各地的磁

偏角的地图，用以指出指南针在世界各地所指示的实际方向。将

地球上所有磁偏角相同的点连接起来就得到等偏角线，它弯弯曲

曲地由磁北极伸展到磁南极。

不幸的是，这样的地图必须定期修改。因为即使是在一个地

点上磁偏角也会随时间而改变。例如伦敦的磁偏角在两个世纪中

移动了

32弧度——1600年时它位于北偏东

8度，并且稳定地按

逆时针方向旋转，到

1800年它变成北偏西

24度，从那时起，它又

反向变化，到

1950年则变成只有北偏西

8度。

磁倾角在地球上的任一点也会随时间缓慢地变化。因此地图

上显示相同倾度的线——等倾线也必须不断地修正。此外，地球

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磁场的强度会随纬度增加而增加，接近磁极的强度是赤道附近地

区的

3倍。磁场强度也随时间不断改变，因此等磁力线图也要定

期修正。

就像有关地球磁场的任何东西一样，地球的整个磁场的强度

也在改变。目前，它的强度在不断地减弱之中。从

1670年以来，

它的整个磁场强度已经减弱了总强度的

15%。如果这样继续下

去，大约到

4 000年，磁场的强度将变成零。到那时候又将如何呢？

它将会继续减弱下去，也就是说会使磁北极反转而位于南极大陆，

并使磁南极反转位于北极吗？换句话说，地球的磁场将会周期性

的减弱、反转、增强、减弱、反转……如此持续不断地变化吗？

一种用来说明是否真的如此变化的方法就是研究火山熔岩。

当熔岩冷却时，结晶就靠着磁场的作用而形成整齐的排列。早在

1906年时，法国物理学家布吕纳就注意到，某些岩石是被与地球

磁场方向相反的磁场所磁化的。当时人们对这一发现并不重视，

因为它似乎不太合理，但是现在却是不容否认的事实。这些暴露

出来的岩石使我们知道，地球的磁场不仅曾经反转过，而且已经反

转了许多次：在过去的

400万年里，地球磁场就以不规律的时间

间隔反转了

9次。

这方面最引人注目的发现是在海底。如果熔化的岩石确实穿

透全球大断层而扩散开来，那么当一个人由这个断层向东或向西

走时，他一定会碰到那很早以前就缓慢固化了的岩石。根据对这

些岩石的磁性排列的研究，我们的确可以发现，各次反转呈条状分

布，由断层逐渐向外缓慢发生。不同磁性的岩石带之间的时间间

隔大约在

5万～200万年之间不等，并且对称地发生于断层两侧，

呈镜像对称形式。到目前为止，这些现象惟一合理的解释就是海

底正在扩张，并确有磁场反转。

然而，确定反转这一事实毕竟要比找出它发生的原因来得容

第五章 大 气

第五章 大 气

易。

除了这种长时间的变化之外，在一天的过程中磁场也有小小

的变化。这使我们想到它或许与太阳有某种联系。当罗盘指针以

一种不寻常的活跃方式跳动时，人们就把当天称为扰动日，并认为

地球经受了一场磁暴。磁暴与电子风暴是相同的，并且通常伴随

着逐渐增强的极光现象。早在

1759年英国物理学家康顿就提出

了观察报告。

北极光一词最初是由法国哲学家伽桑狄于

1621年引用的。

拉丁字义是“北方的黎明”。这是一种会移动的美丽景象，多彩的

流光或折叠的光线组成了一种超自然的壮观。与北极光相辉映的

是位于南极大陆的南极光，其拉丁字义是“南方的黎明”。1741

年，瑞典天文学家摄尔西乌斯就注意到极光与地球磁场的关系。

这些极光射线似乎是随着地球磁力线集中在一起而成为可见光

的。极光射线紧密集中点就是磁极。在磁暴期间，甚至远至南方

的波士顿和纽约都能看到北方的极光。

为什么会有极光出现并不难理解。在大气的电离层被发现以

后，人们认为，来自太阳的某些辐射激发了高层大气的原子并使之

转变成带电的离子，到了晚上，这些离子便失去电荷并释放能量，

后者使之成为可见的极光形式。极光是一种特殊的大气发光现

象，因为它本身如所预料的那样是由带电的离子形成的，所以极光

随着磁力线而集中在磁极附近，而一般的气辉现象只涉及不带电

的原子，因此也就不受磁场的影响。

太阳风

但是，扰动日以及磁暴的情况又怎么样呢？这些问题的疑点

仍然再次指向太阳。

磁暴似乎是太阳黑子的活动所产生的。14 960万公里（

9 300

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万英里）以外的扰动对地球能有多大影响实在难以估计，然而影响

确实是存在的，因为在太阳黑子活动强烈时磁暴也特别常见。

这个问题的答案从

1859年起逐步揭示清楚了。当时有一位

英国天文学家名叫卡林顿，他观察到一个星状光点从太阳表面发

射出来，持续了约

5分钟才消失。这是太阳耀斑现象的第一个观

察记录。卡林顿猜测这一现象是由于某个大流星落到太阳上而引

起的，并假定那只是一种极为罕见的现象。

然而，在

1889年，海耳发明了太阳单色光照相仪，并在特别光

谱区拍摄了太阳的照片，也发现了耀斑。这表明耀斑并不是罕见

的现象，同时它也与太阳上的黑子带有关。显然，耀斑是太阳上能

量很高的喷出物。产生太阳黑子的现象也同样要涉及到很高的能

量（因此，耀斑的成因目前也不大清楚）。当耀斑位于日盘中心正

好面向地球时，由太阳发射出来的质点就会到达地球高层大气。

在日盘中心的耀斑出现几天之后，地球上就一定会出现磁暴。早

在

1896年，挪威的物理学家伯克兰就提出了上述预测。

事实上，有许多的证据表明，不论这些质点来自何处，它们所

造成的粒子流都会深入遥远的太空，并把地球浸没于其中。人们

也发现，由闪电造成的无线电波在很高的空中会沿着地球的磁力

线传播。这些波称为哨音波，因为早在第一次世界大战期间，德国

物理学家巴克好森在一次偶然的机会里发现这种会带来奇怪的口

哨杂音的电波。实际上如果大气中不存在着带电的质点，无线电

波就不会沿磁力线传播。

但是，这些带电质点似乎不仅在耀斑爆发时才由太阳发射出

来。1931年，查普曼在研究太阳的日冕时，对日冕可能伸展的范

围产生了越来越深刻的印象。在日全食时，我们所能看到的仅是

日冕的最内层的部分。他觉得，那些在地球周围测得的带电质点

也是日冕的一部分。因此，在某种意义上说，地球正是在太阳这个

第五章 大 气

第五章 大 气

发光体的极稀薄的外层大气里绕着它公转的。根据查普曼的描

述，日冕从太阳向外扩张伸向空间，它在太阳表面不断地更新，因

而不断有带电质点朝各个方向射出。当它们通过地球时就会干扰

地球的磁场。

这个推测到了

20世纪

50年代就成了定论。这要感谢德国天

体物理学家比尔曼。半个世纪以来，人们一直认为彗星的尾巴是

由于阳光的压力造成的，以致于彗尾大都背离太阳，而且当彗星接

近太阳时彗尾拖得更长。光压的确存在，但比尔曼证明它还不足

以产生彗尾，必须有更强大的推力才行。符合这样条件的除了带

电质点外几乎不可能是别的东西。美国物理学家帕克对这种稳定

的质点流提出了更深一层的讨论，他把耀斑产生时的爆发也加上

去，并把上述效应命名为太阳风。太阳风的存在最终被苏联卫星

1号及卫星

2号所证实。这两个卫星分别于

1959年及

1960年被

发射到月球附近。美国的一个行星探测器水手二号也在

1962年

飞过金星附近时探测到了太阳风的存在。

太阳风并不是一种局部的现象。有理由认为，至少像土星那

样遥远的行星，在那里也能探测到太阳风。在接近地球的地方，太

阳风质点的速度由每秒

320公里变化到每秒

800公里不等，这些

质点从太阳到达地球要用

3.天的时间。太阳风使太阳在每一秒

钟之内有

100万吨的质量损失，按人类的标准来看，这是一项极为

巨大的质量损失，但是对太阳来说，这点儿质量损失是微不足道

的。太阳风的密度大约为地球大气的

10-18。在太阳的整个生命

史中，到目前为止，由太阳风所造成的质量损失还不到万分之一。

太阳风对人们的日常生活也有影响。除了对磁场的影响之

外，高层大气中的带电质点也会影响到天气变化的细节。如果真

是这样，太阳风的涨落变化也会成为天气预报的另一种武器。

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磁层

有关太阳风的影响的未知问题，在人们发射了卫星之后意外

地得到了解决。人造卫星的主要作用之一就是探测高层大气以及

附近空间的辐射，特别是宇宙射线的强度。宇宙射线是一种能量

极高的带电粒子。大气层之外的辐射到底有多强呢？可用卫星上

所载的盖革计数器来测量。这种仪器是由德国物理学家盖革在

1907年首先设计出来的，1928年又对它进行了很大地改进。它是

这样来测量粒子辐射的：计数器有一个装有气体的盒子，盒内的

电压很低，以致不能出现电流。当辐射的高能质点穿入盒子后会

使气体的原子变为离子。离子受碰撞之后得到能量就会撞击邻近

的原子，也使之电离并继续去撞击别的原子，如此下去就形成更多

的离子，这种离子的运动就形成电流，这样形成的脉冲电流可在几

分之一秒的短时间内传到计数器上，再由遥测仪传回地面。这样，

便可计算出计算器所在位置的粒子数及辐射通量。

美国首次成功发射的卫星探险者

1号于

1958年

1月

31日进

入轨道。它的计数器探测到在数百公里上空有一个粒子集中区。

但是到了更高的高度时（探险者

1号可达到

2 535公里的高空）计

数却开始减少了，有时甚至降为

0！这个现象曾被认为是计数器

出了故障。但是，

1958年

3月

26日发射的探险者

3号在到达

3 380公里处的上空时也出现了同样的情况。

1958年

5月

15日

苏联发射的卫星

3号也发生了同样的现象。

美国衣阿华州立大学负责一项辐射研究项目的范艾伦及其助

手们对上述现象提出了一个可能的解释。他们认为，计数器测不

到辐射，并不是因为辐射太少或没有，而是因为辐射太多，仪器来

不及反应，结果没有数学显示。（这与我们眼睛被强光照射时产生

看不见的现象类似）。

第五章 大 气

第五章 大 气

探险者

4号在

1958年

7月

26日升空，它携带有一些特殊设

计的计数器，能够测量较大的负荷。例如，其中有一个还装了一层

薄铅片（类似于暗色的太阳镜），加以屏蔽，以防止大部分辐射进

入。结果，这次计数器便有了不同的反应，证实辐射过多的理论是

正确的。探险者

4号到达

2 200公里（1 368英里）的高度。考虑到

铅片对辐射的削减作用，这种装有铅片保护层的计数器所发回的

数字表明，那里的辐射强度比科学家们所想象的要高得多。

很显然，探险者号卫星只穿越了这个强辐射场的底层。

1958

年秋天，美国朝月球方向发射了两颗人造卫星（也就是所谓的月球

探测器）

——先驱者

1号，飞抵

112 600公里（

70 000英里）的高度；

先驱者

3号，到达

104 600公里（

65 000英里）的高度。它们测量的

结果表明，环绕地球有两条主要辐射带。它们被称为范艾伦辐射

带。但不久；为了使之与地球附近空间其他区域所定的名称相协

调，又改称为磁层（图

5-6）。

最初，假设磁层在地球周围是对称的，就像一个巨大的油炸面

圈，而且磁力线本身也呈对称排列。但是由卫星资料所带回的另

一些信息，特别是

1963年将探险者

14号及顽童

1号送到一个高

度椭圆的轨道上（轨道所以被设计成高度椭圆形状是为了使卫星

能被尽可能远地送到磁层以外的地方）所得到的资料，将整个概念

推翻了。

结果发现磁层有一个界限分明的边界，即磁层顶。由于太阳

风的作用，朝太阳的这一面的磁层顶被推向地球，但在地球背面夜

晚的那一侧，磁层顶却被拉长了一段很长的距离。面向太阳的磁

层顶大约距地球

64 360公里（

40 000英里），但另一面泪珠状的尾

巴则向外延伸到

160万公里（

100万英里）或更远。

1966年，苏联

卫星月球

10号在绕月飞行的过程中，测出月球周围有一

微弱的磁场，实际上它可能就是地球磁层尾部扫过月球附近而形

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图 5-6人造卫星所探测到的磁层或范艾伦辐射带。它是由被拦截于

地球磁场中的带电粒子所组成的

成的。

带电粒子会被诱陷于磁力线上运动的现象早在 1957年就曾

被在美国出生的希腊业余科学家克里斯托菲洛斯所预报过。他当

时在美国一家电梯公司当推销员。他将所作的计算送到从事这方

面研究的科学家手中，但未引起他们的注意（科学界也如其他行业

一样，专业人员往往忽视业余爱好者）。直到这些专业的科学家也

独立地得到同样的结果之后，克里斯托菲洛斯的研究才被肯定，

他本人也应邀到加利福尼亚大学。他的关于粒子被磁场诱陷的思

想现在被称为克里斯托菲洛斯效应。

1958年 8月和 9月，为了试验这个效应是否真正会在空间发

生，美国发射了 3枚携带核弹头的火箭飞达 480公里（300英里）

第五章 大 气

第五章 大 气

的高空，并在那里引爆——这项实验命名为阿耳戈斯计划。核爆

炸后产生的大量带电粒子流沿着磁力线扩展开来，并确实在那里

被诱陷。由此而形成的辐射带持续存在了相当长的一段时间；探

险者

4号在其数百次绕地球的飞行中都曾探测到这个辐射带。这

种粒子云也同样能产生微弱的极光现象，并引起过短时的雷达波

中断。

上述实验是其他一系列实验的序幕，由于这类实验会影响甚

至改变地球附近的空间环境，因此有些实验就受到一些科学团体

的反对和抗议。1962年

7月

9日在空间爆炸的一颗核弹，使得磁

层发生了显著的改变，还出现了一些可能持续较长时间的变化，正

如一些持反对立场的科学家（如霍伊尔）所预测的那样。苏联在

1962年也进行过类似的高空实验。这种影响事物自然状况的作

法可能会影响我们对磁层的理解，因此这些实验不能在短期内重

复进行。

为了给远距离通信系统建立一个可靠的方法，人们曾在环绕

地球的轨道上撒了一层细铜针，试验这些铜针反射无线电信号的

能力（这是因为电离层在有磁暴发生时会失去或减弱反射电波的

能力而影响通信）。深恐此举会干扰来自空间的信号的射电天文

学家们对此表示反对。尽管如此，这项被称为西福特计划的研究

项目还是在马萨诸塞州的西福特城准备就绪，并于

1963年

5月

9

日付诸实施。一颗卫星把长

1.9厘米（3/4英寸）、比人的头发还

细、价值

50英镑的

4亿根铜针放入轨道。这些铜针射出之后逐渐

扩散到环绕地球的辐射带中，正如所预期的那样，它们可以反射无

线电波。此带停留在轨道上大约

3年之久。为了提高其用途，将

需要一条更厚的这样的带，但射电天文学家们的反对是否能克服，

是值得怀疑的。

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行星的磁层

科学家们自然非常想弄明白，除了地球之外其他天体是否也

具有辐射带。如果埃尔萨塞的理论是正确的，那么行星必须满足

两个要求，才能拥有一个较大的磁层。首先，必须有一个液态的导

电核心，以便在其中产生涡旋运动。其次，必须有一个相当快的旋

转周期以产生这种涡旋。以月球为例，它的密度低而且质量太小，

内部核心的温度也不够高，因此不可能有液态金属核心。此外，即

使它有这种核心，也因为它转得太慢而无法形成涡旋。因此，从两

方面看，月球都不可能有磁场。但是不管这一推理多么一目了然，

直接的测量将更有帮助。火箭探测器能够轻易地进行这种测量。

最早的月球探测器是由苏联发射的卫星

1号（1959年

1月

2

日）和卫星

2号（1959年

9月），它们在月球周围没有发现任何辐

射带的迹象，这一结论也为后来的各次月球探测所证实。

金星是一个更为有趣的例子。它的大小和密度与地球相似，

因此一定像地球一样有一个液态金属核心。但是金星旋转得很

慢，甚至比月球还慢，金星探测器水手

2号于

1962年发射，它和其

后的所有金星探测器都一致证实金星实际上是没有磁场存在的。

由于它的浓密的大气层中的电离层的传导效应，可能产生一点磁

场，但其强度肯定小于地球磁场强度的

1/20 000。

水星的密度也大，并且一定有一金属核心，但和金星类似，它

旋转得很慢。水手

10号在

1973—1974年掠过水星时，探测到一

个微弱的磁场，比金星稍强。但它不是由大气层产生的。即使这

么微弱的磁场，也不是它那缓慢的旋转所能产生出来的，很可能是

因为它的体积很小（比金星和地球都小得多）的缘故，其金属核心

已经冷却到足以产生铁磁性，并具有永久磁铁的一些性质。但至

今我们仍不能肯定是否如此。

火星的旋转相当快，但它比地球体积小，密度也比地球低。它

第五章 大 气

第五章 大 气

可能没有像样的液态金属核心。但即便这样小的核心也可能产生

一定的影响。火星似乎有一个小磁场，尽管其强度比地球弱得多，

但仍比金星要强。

木星则与上述天体完全不同。如果对其核心传导特性有一定

的认识，它那巨大的质量及快速的旋转是使它拥有磁场的最佳条

件。早在

1955年，那时还没有关于核心导电性的足够知识，也还

未建造出探测器，但两位美国天文学家伯克及

K. L. 富兰克林却

探测到来自木星的无线电波是非热力性的，即它们并非仅由温度

的效应所引起的，而很可能是由那些被磁场所诱陷的高能粒子所

引起的。

1959年，F. D.德雷克就是这样解释来自木星的无线电波

的。

早期的木星探测器先驱者

10号及先驱者

11号充分地证实了

这个理论。它们毫不费力地探测到了木星的磁场（与地球磁场相

比它真是个庞然大物），比我们根据其巨大体积所预测的强度还要

大。木星的磁层大约有地球磁层的

1 200倍那么大。如果肉眼能

够看得见的话，从地球上看，这个磁场在天空中所占的面积将比满

月在天空中所占面积大好几倍。木星磁层的强度大约是地球磁层

强度的

19 000倍；如果载人的宇宙飞行器一旦到达那里，木星的

磁场将会在其伽利略卫星之外形成一个致命的障碍，阻止飞船接

近它。

土星也有一个强磁场，它的大小介于木星和地球的磁场之间。

目前我们还不能用直接的观测来说明。根据推理，天王星和海王

星也应有磁场，且可能比地球的大。在所有的气体巨行星中，液态

导电核心的性质不是液态金属就是液态金属氢，而木星和土星的

导电核心几乎可以肯定是后者。

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流星和陨石

甚至连古希腊人都知道流星并非真正的星。因为不论有多少

流星陨落，天上星星的数目仍维持一定。亚里士多德认为流星是

物体在大气中所产生的暂时现象（这一次他是对的），因此这些物

体被称为流星，意即“空气中的物体”，流星若落到地面便叫做陨

石。

古人甚至也目击了陨石的坠落，并且发现有些是大铁块。据

说尼西亚的喜帕恰斯曾报导有关陨石坠落的消息；麦加的石造圣

堂中的神秘黑石就被认为是一颗陨石。由于它来源于空中，所以

伊斯兰教徒将它当做“圣物”。在希腊著名的史诗《伊利亚特》中曾

提到有一块粗糙的铁块在丧礼仪式上被当做奖品授与普特洛克勒

斯；由于当时是铜器时代，尚未发明铁矿冶炼术，因此可以断定那

应该是一块陨石。由此可知，早在公元前

3 000年陨石就已被使用

了。

18世纪理性时代占统治地位之际，科学却在这方面开了倒

车。那些对迷信不屑一顾的人却嘲笑“石头从天而降”的说法。当

农民谦虚地带着陨石样品前往法兰西学院时，受到有礼但却不耐

烦的待遇。1807年，康涅狄格州的两位学者均报告目击了陨石坠

落（其中之一即是著名的年轻化学家西利曼）；当时的美国总统杰

斐逊却说，他宁可相信这两位美国教授说谎也不愿相信石头会从

天上掉下来。

事实证明杰斐逊确实是落伍了。当陨石坠落在法国的消息披

露之后，激起物理学家毕奥的兴趣，他于

1803年前往调查此事。

他的调查工作十分谨慎而成功，费了一番努力终于使科学界相信

石头确实会从天上掉下来。

第五章 大 气

第五章 大 气

而后在

1833年

11月

13日，美国遭到一阵流星雨的袭击。因

为它们似乎是从狮子座上的某点放射出来，故被称为狮子座流星

群。在几小时里流星使天空变得灿烂耀眼，其明亮程度空前绝后。

据了解，并没有任何陨石抵达地面，但这个奇观却激起研究流星的

热潮，天文学家们开始了认真的研究。

次年，瑞典化学家贝采利乌斯开始了一项对陨石进行化学分

析的计划，这种分析为天文学家研究太阳系年龄及宇宙的化学成

分提供了有用的资料。

流星

根据对每年流星最多时期的观察和对流星从天空中落下时的

位置的观察，流星观测者已能推算出各种流星云的轨道。用这种

方法，他们了解到当地球轨道和流星云轨道相交时，便会产生流星

雨。

流星云也像彗星似地有一个拉长的轨道，因此把它们看作是

彗星分裂后的碎片也不无道理。根据彗星结构的惠普尔图片，彗

星能分裂并把尘埃和碎片留在其后，有些彗星确曾被观测到分裂

的情况。

当这类彗星尘埃进入大气层，会造成壮观的景象，如同

1833

年所发生的那样。曾有一颗亮如金星的流星在掉入大气层后成了

一块仅有

1克重的微粒，还有一些可见的流星重量仅有它的

1/10 000。

闯入地球大气层的流星总数可以用计算机计算出来，数目之

大令人难以置信，超过

1克重的流星每天多达

20 000个，另有

2

亿个大小足以形成肉眼可见的散射光束的流星，比上述更小的流

星每天则会有好几十亿个。

我们所以知道有非常小的微流星存在，是因为发现空气中有

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形状特殊且由高镍成分组成的尘埃粒子，它们和地球上通常的尘

埃大不相同。另一个微流星大量存在的证据是天空中的一种微弱

光线，即所谓的黄道光，它是

J. D. 卡西尼在大约

1 700年首先发现

的。之所以叫做黄道光是因为它在地球公转轨道面附近，即黄道

星群出现的地方最为明显。黄道光十分昏暗，除非条件特别理想，

否则甚至在没有月光的夜晚也无法看见。它在太阳已落或将升起

时的地平线附近最为明亮，而天空的另一边，还有第二个明亮处，

叫做对日照（德文意为“相反的光”）。黄道光和气辉最大的不同

是，它的光谱中没有氧原子和钠原子的谱线，只有被反射的阳光。

而反射媒质据推测便是集中在行星轨道面附近的尘埃——简言之

就是微流星，其数目多寡和尘粒大小可根据黄道光的强度来测定。

微流星的数目现在可以利用探险者

16号（1962年

12月发

射）及飞马

1号（1965年

2月

16日发射）等人造卫星发回的资料

更精确地计算出来。为了探测微流星，有些人造卫星的外面包有

一层敏感的材料片，通过电阻的改变来记录流星的撞击次数。另

一种记录撞击的方法是在仪器的内表面上安装一个敏感的麦克

风，以计算撞击时发出的声响次数。人造卫星上的计数器指出，海

天约有

3 000吨的流星物质进入我们的大气，其中

5/6是微流星，

这些微流星因体积太小而不能像流星那样被观察到。这些微流星

在地球附近形成薄尘云。这类尘云向外层空间伸展，但密度越向

外越低，大约在

160 000公里远的地方，其密度消减到与星际空间

的一般密度相一致。

探测金星的水手

2号测出空间尘埃的浓度仅为地球附近的

1/10 000；而地球似乎是此尘云球的中心。惠普尔指出，月球可能

是尘云之源，因为陨石撞击月球表面而射出尘埃。金星则因为没

有卫星，所以没有尘云球。

地球物理学家彼得森对流星特别感兴趣，他曾在

1957年到夏

第五章 大 气

第五章 大 气

威夷的一个山顶上收集空气的样本。这里是地球上最远离工业尘

埃的地方，结果他发现每年有将近

500万吨的流星尘降落到地面

上。1964年，罗森也曾用气球将仪器载到高空做了类似的测量，

得到的数字为

400万吨。虽然如此，仍有人认为每年仅有

10万吨

才是合理的。彼得森试图通过分析从海底取出的岩心样本中高镍

尘埃的含量来绘出过去陨石坠落的曲线图。他发现大体上海底上

层部分的沉淀多于较老的下层部分，因此（证据可能仍然不足）流

星撞击的比率在近代可能是增加的。这些流星尘对我们的生活可

能很重要。根据澳大利亚物理学家

E. G. 鲍恩在

1953年提出的理

论，这些尘埃可以成为雨滴的凝结核。假使果真如此，那么从地球

降雨的形态便可反映出微流星撞击地球时密度的升降变化。

陨石

偶尔有一些比碎石大的物体，甚至也有些很大的物体进入地

球大气中。它们一定相当大，因而能够经受以每秒

13～72公里的

速度穿越大气时与空气摩擦所产生的高热而抵达地面。这就是我

前面所说的陨石。这类陨石被认为是小行星，更具体地说，是与地

球过于接近的掠地小行星。由于它们能擦撞地球，故成为人类的

忧虑。

落到地面上被发现的陨石（共约

1 700个，其中

35个超过

1

吨重）大都是铁质的，这样看来，铁陨石的数目应该远远超过石陨

石的数目。然而，这种看法被证明是错误的，因为一块铁块半埋在

多石的区域是非常醒目的，而一块石头介于其他石块之间则很难

被发现。然而当我们研究一块石陨石时，就会发现它与地球上原

有的石头有着完全不同的特征。

当天文学家计算那些确实被目睹坠落的陨石时，发现石陨石

的数量是铁陨石的

9倍（有一段时间，美国大多数石陨石是在堪萨

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斯州发现的。这似乎有点奇怪，但若了解在堪萨斯州那种没有石

块的沉积地上，一块石头引人注目的程度，就如同其他地区的一块

铁一样，便不足为奇了）。

这两种陨石被认为是在下列情况下产生的：在太阳系的青年

时期，小行星可能平均要比现在的大。小行星一旦形成并不再因

木星摄动而合并时，它们彼此间会发生碰撞而破碎。然而早在此

之前，在小行星形成过程中，它已达到足够的热度使其组分有所分

离，铁质沉入中心而岩质被挤到外层。然后，当小行星变成碎片

时，便既有岩质碎片又有铁质碎片，因而形成地球上现有的各种陨

石。

另外还有第三种陨石——碳质陨石。它非常少见，将在后面

的第十三章中予以适当的讨论。

陨石很少造成灾害。虽然每年有将近

500万个坚实的陨石撞

击地球（不过，遗憾的是，仅约有

20个被发现），但地球表面十分广

大，仅有少部分区域人口稠密。据了解迄今还没有人遭陨石击中

而丧生。只是在

1955年

11月

30日美国阿拉巴马州有一名妇女

据报导曾被一线闪光打伤。1982年有一块陨石闪耀着光芒，击中

美国康涅狄格州韦哲斯匪尔地方的一幢房屋，但未伤及屋内的居

住者。奇怪的是，该地区在

11年前也受过陨石袭击，同样也未造

成伤害。

然而陨石仍具有潜在的毁灭性。例如，

1908年在西伯利亚中

部的一次陨石袭击事件中，凿出了一个直径约

46米（

150英尺）的

探坑，击倒了附近

32公里（

20英里）范围内的树木。所幸陨石是

落在一片荒芜地区，毁灭的只是一群鹿而未殃及人类。若是它延

后

5小时才从空中的同一位置落下，那么由于地球的旋转，它就可

能击中当时俄国首都圣彼得堡，即现在的列宁格勒。如果真是这

样的话，则这座城市早已如同遭受氢弹轰炸一样被彻底毁灭了。

第五章 大 气

第五章 大 气

有人估计，这颗陨石的总重量大约可达

40 000万吨。

这次通古斯事件（因其发生地点而得名）一直是一个神秘的疑

团。因为该地区实在很难接近，而后紧接着又发生战争和革命，以

致好几年都无法前去调查，等到后来真正前往考察时，却没有留下

任何陨石物质的痕迹。近些年，有一位苏联科幻小说家在他的小

说中，虚构该地区充满了放射性，这一虚构被许多对此事有着自然

情感的人当做是个严肃的发现。结果，许多荒诞不经的理论因而

发展出来。从遭受小黑洞撞击到外星的核爆炸都有。而最可能的

合理解释为陨石本身就是冰，可能是一颗非常小的彗星或大彗星

的一部分，最有可能是恩克彗星，它在撞击前先在空中爆炸，造成

了巨大的破坏，却没有留下任何岩质或金属的陨石物质。

此后最大的撞击事件于

1947年发生在海参威（又是在西伯利

亚）。

有迹象表明，在史前时期曾有过更为严重的撞击现象。美国

亚利桑那州的可可尼诺郡有一个宽约

1.3公里、深达

183米的圆

坑，周围的土堆有

30～46米高，看起来就像一个小型的月坑。长

久以来它一直被认为是一座死火山。但一个名叫巴林杰的矿石工

程师却坚持认为这是陨石撞击的结果。现在，这个坑便被称为巴

林杰陨石坑。坑口有数千吨（也可能数百万吨）的陨石铁块堆积，

虽然目前只发现一小部分，但从该地及附近的陨石中所提取的铁

已比从世界其余地方的陨石中所提取的铁的总合还要多。由于

1960年在这里发现了硅，从而证实了它的起源是陨石造成的。因

为硅仅能在受陨石冲击时所产生的瞬间高压及高温下才能生成。

据估计，巴林杰陨石坑大约是

25 000年前由一个直径

46米

左右的铁陨石撞击在这荒无人烟的土地上所造成的，目前它保存

得相当完好。在世界上大多数地区，类似的陨石坑多已被水或植

物的过度生长所掩没。如从飞机上观察，以前也曾看见过许多不

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引人注意的圆形构造物，其中有的充满了水，有的长满了植物，它

们几乎都是陨石坑。在加拿大就发现了好几处，包括安大略中部

的布伦特陨石坑和魁北克北部的查布陨石坑，每一个都有

3公里

或更大的直径。加纳的亚山蒂陨石坑直径则达

9.6公里，它们都

可能有

100万年以上的历史，已知大约有

70个这类的古老陨石

坑，直径总合达

137公里左右。

月球上的陨石坑从小洞到直径为

240公里或更大的都有。月

球上因为没有空气、水和生命，因此它就像一个完美的陨石博物

馆。除了每两周轮换一次的白天和夜晚所引起的缓慢温度变化之

外，几乎不会受到任何作用的磨损。如果没有风、水及生物的侵蚀

作用，地球可能也和月球一样布满坑洞。

起先，曾有人认为月球的坑洞源于火山，但事实上它们在结构

上和地球的火山口并不一样。1890年后，这些坑洞是起源于陨石

撞击的观点渐渐占了优势，并逐渐为人们所接受。

“大海”，又名“玛利亚”，是月球上巨大粗糙而较少坑洞的环形

地区，按照上面的观点可视为特大陨石撞击的结果。

1968年，当

人造卫星在月球轨道上绕月球飞行时发生了意外的轨道偏离，使

得上述的想法获得了进一步的支持。这种偏离迫使人们得出一个

结论，那就是部分月球表面的密度比平均值来得大，因而使万有引

力稍有增大。当人造卫星飞过这里时便有了反应。这些比平均密

度大的区域似乎都和“玛利亚”地区相吻合，我们称之为质量密集

区。最明显的推理是，一些颇大的铁陨石造成“海”之后仍然埋藏

在下面。它们的密度比一般构成月球表壳的石质材料大。在发现

这一现象的那一年，至少探测到

12个这种质量密集区。

然而，把月球视为一个“死的世界”，完全没有火山活动的观点

也有点过分。1958年

11月

3日，苏联天文学家科兹列夫对阿尔

芬斯坑的微红斑点进行了观察（

W.赫歇耳早在

1780年就提出曾

第五章 大 气

第五章 大 气

看到月球上有微红的斑点）。他用分光镜进行的研究澄清了一个

事实，即确实有气体和尘埃从那里喷射出来。从此，其他的微红斑

点也在瞬间为人们所发现，看来，月球上确有偶而发生的火山活

动。1964年

12月，月全食期间就发现有

300个坑口比附近地区

更热，只是它们尚未热到白炽状态。

没有空气的世界，如水星以及火星、木星和土星的卫星，通常

是坑洞密布，它们是

40多亿年前由星子吸积形成世界的过程中被

陨石撞击所留下的纪念。从那以后没有发生过任何能抹掉这些痕

迹的过程。

金星上的坑洞很少，或许是因为它的稠密大气层的侵蚀作用。

火星有一半表面的坑洞也较少，可能是由于其火山活动再造了一

个新的星壳。木卫一上完全没有坑洞，可能是由活火山群的熔岩

所致。而木卫二没有坑洞，乃因陨石的撞击穿越其覆盖的冰层，进

入液面下，液面立即再结冰“愈合”破洞的缘故。

陨石是我们能够研究的惟一来自外层空间的物质，因此它不

仅使天文学家、地质学家、化学家及冶金学家感兴趣，而且也使宇

宙学家激动不已，因为他们专门从事研究宇宙和太阳系的起源问

题。地球上的好几个地方都发现在陨石中有令人费解的玻璃状物

质，1787年首先在今天的捷克和斯洛伐克西部发现了这种物质。

澳大利亚在

1864年也发现一些例子。它们被称为玻陨石，希腊文

是“熔化”的意思，因为它们显然在穿越大气层时被熔化了。

1936年，美国天文学家尼宁格提出这样一个理论，玻陨石是

大的陨石撞击月球表面激溅出来的残余物，受到地球重力场吸引

而落入地球。在澳大利亚和东南亚发现玻陨石分布很广（其中许

多是从印度洋的海底捞出来的）。这些是最“年轻”的玻陨石，只有

70万年的历史。可以想象，它们是由形成月球上年轻壮观的第谷

环形山的巨大陨石撞击激溅而产生的。这一撞击与地球磁场最近

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一次反转正相吻合。这一事实引起了一种推测，认为这类非常不

规则的地球磁场反转系列，可能标志着上述月球和地球之间陨石

撞击的灾祸可能再次发生。

另一种特殊类型的陨石是在南极大陆上发现的。任何陨石，

不论是岩质或是金属块，假如掉在广大的南极冰盖上，必然相当引

人注目。事实上，在那个大陆上的任何固态物体，只要不是冰或人

类活动的产物，就是陨石。陨石一旦坠抵地面，除非被雪所掩埋或

被企鹅碰过，否则它就一直保持未被接触的状态（至少已有

2 000

万年以上）。

无论何时，南极洲都人烟稀少，这片大陆上许多地方仍未经仔

细考察过。1969年以前，总共才发现了

4颗陨石，都是在偶然的

情况下发现的。1969年，一队日本地质学家发现了相距很近的

9

颗陨石，因而引起了科学家们的普遍兴趣。于是，更多的陨石陆续

被发现。到

1983年，在这块冰封的大陆上找到的陨石碎片超过

5 000个，比在世界其他地方发现的陨石多得多。事实上，并非被

撞击的南极洲的陨石特别多，只是陨石在那里比较容易被发现。

有些南极洲的陨石确实相当奇特。

1982年

1月发现的一块

绿褐色陨石碎片，经分析，证明含有一种特殊成分，和宇航员从月

球上带回的月岩一样。要说明一块月球上的物体为什么能被抛到

宇宙空间并来到地球上是不容易的，但此事发生的可能性还是存

在的。

另外有些南极的陨石加热后会放出气体，这些气体含有一种

成分，与火星上的大气非常相似。此外，这些陨石的年龄似乎仅有

13亿年，而不像一般陨石有

45亿年的历史。约在

13亿年前，火

星上的火山可能发生过剧烈的活动，某些陨石便是火星熔岩的碎

片，以某种方式撞上了地球。

值得一提的是，陨石的年龄（其计算方法将在第七章叙述）一

第五章 大 气

第五章 大 气

般来说也是确定地球和太阳系年龄的重要工具。

空气的保持和获得

或许在我们考虑地球如何获得大气之前，应该首先考虑一下

为什么地球既要本身不停地自转，又要在空间中不停地运转，而在

同时却能在漫长的历史长河中始终把大气牢牢地保持在自身周

围。这一问题的答案涉及到逃逸速度的概念。

逃逸速度

假如一个物体被从地面抛向上方，重力的拉引将使它的速度

逐渐减慢，直到某瞬间使它停止，然后再掉回地面。如果重力在这

一过程中一直不变，则物体到达的高度将与向上的初速度有一定

的比例关系。也就是说，以每小时

2公里初速度升空的物体所能

达到的高度将是以每小时

1公里初速度升空的

4倍，因为能量与

速度的平方成正比。

但重力不是常数，它随高度增加而减弱（确切地说，它随物体

到地心距离的平方而减小）。如果以每秒

1.6公里的速度向上发

射物体，它在掉头落下之前可达

129公里的高度（假设不考虑空气

的阻力）；如果我们发射同样的物体，但给以每秒

3.2公里的向上

的速度，它将达到原先高度的

4倍。由于

129公里处的地球引力

比地面低，因此物体越远离地面，它所受的引力就越小。实际上，

该物体将升达

563公里的高度而不是

516公里。

若给物体一个每秒

10.5公里（

6.5英里）的向上初速度，它将

会升高到

41 520公里（

25 800英里）处。那里的引力强度不超过

地球表面的

1/4。假使我们将物体以每秒

10.6公里（

6.6英里）的

速度发射，它将能达到

55 200公里（34 300英里）的高度。

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可以算出，当物体以每秒

11.2公里（

6.98英里）的初速度被

发射时，它将永远不会再掉回地球上。虽然地球的引力可渐渐减

慢物体的速度，但由于这种作用渐渐地减弱，因此无法使物体对地

球呈静止状态（对地球的速度等于

0）。俗话说的“任何事物上升

后一定会落下来”在这里就不适用了。

每秒

11.2公里的速度就是地球的逃逸速度，任何天体的逃逸

速度都可根据其质量和大小算出来。月球的逃逸速度为每秒

2.4

公里（

1.5英里），火星为每秒

5.1公里（

3.2英里），土星为每秒

37

公里（

23英里），太阳系中质量最大的行星木星的逃逸速度为每秒

61公里（38英里）。

这些对于地球能保持本身大气层具有直接的意义。由于空气

中的分子和原子不断地像小子弹一样在任意方向上飞行，它们彼

此之间的速度也有很大差异，所以只能用统计学的方法来描述它

们的运动；例如，给出速度大于某一指定速度的分子所占的比例，

或者算出在某种给定条件下的平均速度等等。进行类似统计的公

式早在

1860年由麦克斯韦和奥地利物理学家波耳兹曼导出，被称

为麦克斯韦-波耳兹曼定律。

氧分子在室温条件下的平均速度为每秒

0.5公里（0.3英

里），氢分子重量只有氧的

1/16，以平均快

4倍或每秒

2公里（

1.2

英里）的速度运动。根据麦克斯韦

-波耳兹曼定律，特定粒子在特

定温度下的速度和分子量的平方根成反比。

重要的是要记住这些仅是平均速度。半数分子的速度比平均

速度快，部分分子会达到平均速度的

2倍以上，有小部分粒子超过

3倍。实际上，仅有小部分的氧分子和氢分子具有每秒

11.2公里

以上的逃逸速度。

在低层大气中，这些快速运动的分子并不能真正的逃出，因为

和邻近较慢分子相撞后便减慢下来。但在高层大气，它们逃出的

第五章 大 气

第五章 大 气

机会便大得多。首先，畅行无阻的太阳辐射将激发它们，使之具有

巨大的能量和速度；其次，在较稀薄的大气中分子碰撞的概率大为

降低。地表附近的分子在撞上邻近分子之前，平均只能移动

1/1 000 00厘米；在

105公里高处的分子，碰撞前将有

10厘米的平

均自由路径；而在

225公里处，则自由路径可达

1 005米。那里原

子或分子碰撞的平均次数为每秒

1次，和海平面上的每秒

50亿次

形成极强烈的对比。因此，一个快速粒子在

160公里或更高处，将

更容易脱离地球。假如它刚好向上移动，则它将穿越密度小且碰

撞机会少的区域，最终它将进入星际空间而永远不再返回。

换句话说，地球大气层会逸失，但逸失的主要是最轻的分子。

氧和氮太重，只有少部分能达到逃逸速度。所以从地球大气形成

到现在并没有多少氧或氮从地球逸失。另一方面，氢和氦很容易

达到逃逸速度，因此，今天地球大气中没有氢和氦就不足为奇了。

质量更大的行星，如木星和土星能保住氢和氦，所以它们的广

大而深厚的大气层大部分是由这些元素组成的。氢大量存在时会

与其他元素反应。所以碳、氮和氧仅以含氢化合物的型态存在，如

甲烷（

CH4）、氨（NH3）和水（

H2O）。虽然氨和甲烷在火星大气层中

只以浓度不大的杂质形式存在，可是这些化合物在光谱上呈现出

特殊的吸收带，而氢和氦则没有。因此，1931年德国血统的美国

天文学家维尔特便据此发现了木星大气中的氨和甲烷。至于氢和

氦的存在则是于

1952年以间接方法得知的。当然，1973年以来

对木星的探测也证实了上述发现并给了我们更多的具体细节。

另一方面，较小的行星，如火星，甚至连较重的分子也无法保

住。其大气密度仅及地球的

1/100。月球上的逃逸速度很小，无

法保留住任何大气。

温度和重力一样也是重要因素。麦克斯韦

-波耳兹曼方程告

诉我们，微粒的平均速度和绝对温度的平方根成反比。假如地球

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和太阳表面一样有那么高的温度，则所有大气里的原子和分子将

被加速

4～5倍。地球将不再能保持氧和氮，就如同无法保持氢和

氦一样。

因此，水星虽有月球表面重力的

2.2倍，应该能保住其大气。

然而因水星比月球热得多，所以仍和月球一样没有任何空气。

火星表面重力比水星稍大，但比水星甚至比地球或月球都要

冷得多，所以火星能拥有一层稀薄的大气。其低温因素所起的作

用要大于其稍大的表面重力所起的作用。相反，木星的卫星比火

星还冷，但因表面重力和月球不相上下，因此也不能拥有大气。土

星的一颗大卫星土卫六非常寒冷，所以能有一层厚的氮气层。或

许海王星的大卫星海卫一也是如此。

原始的大气

地球上仍拥有大气，这可说是对“太阳系行星起源于异常灾

祸”的理论的一项有力反驳（例如，有人认为其他太阳系中的太阳

曾和我们的太阳发生过碰撞）。相反，它支持了尘云和星子理论：

当云中的尘埃和气体先聚结成星子，再浓缩成行星体时，气体可能

被拘陷于多孔的物质中，就像雪堆中的空气一样。以后，该星体继

续重力收缩，将气体挤到表面。某一具体气体是否能留存于地壳

上，部分地决定于其化学活动性。氦和氖虽然是原始尘云中最普

通的气体，但因其化学惰性而无法与其他元素形成化合物，所以会

迅速逃离地球。一般地说，地球中氦和氖的浓度仅是它们在宇宙

中微不足道的一部分。例如，据计算，地球只保住了原始气体云中

存在的氖原子的五百亿分之一；而我们的大气中即使有氦原子的

话，其量也比这更少。所谓“即使有氦原子的话”，是因为今天在大

气中虽然仍有些氦，但它们几乎全是来自衰变的放射性元素和泄

漏出来的地下洞穴中残存的氦气。

第五章 大 气

第五章 大 气

另一方面，氢虽比氦和氖都要轻，却被很好地保留在地球上

了。因为它极易和其他物质结合，最明显的是与氧结合成水。据

估计，地球仍具有超过五百万分之一的原始云团中的氢原子。

氮和氧可以更简明地说明化学特性所起的作用。虽然氮分子

和氧分子质量大致相等，然而地球保留了

1/6化学性质活泼的原

始氧原子，却仅保留了

1/800 000的惰性氮原子。

谈及大气中的气体，就必须要涉及水蒸气。这里我们将涉及

一个有趣的问题，那就是海洋是如何形成的？在地球历史的早期，

尽管我们的行星不是特别热，所有的水仍然是以水蒸气的形式存

在。有些地质学家相信，水在那时凝聚于大气中，就像浓密的蒸气

云。当地球冷却后，急速的降雨便形成了海洋。另一方面，有些地

质学家却主张，我们的海洋是由地球内部的水渗出而形成的。火

山活动显示出地壳中仍有许多水分，因为它释放的气体大多是水

蒸气。如果是这样的话，海洋仍可能在继续扩大，尽管速度很慢。

地球大气自最初形成之后难道一直是今天这个样子吗？这似乎不

太可能。氧分子占了大气

1/5的体积，而氧是如此活泼的元素，除

非继续生成，否则以游离态存在是不可能的。而且，也没有其他星

球拥有和我们一样的大气。因此，我们可以大胆地断言：地球的

大气乃是独特事件的产物，就如同地球上具有其他星球所没有的

生命一样。

尤里提出过一个详尽的论点，支持原始大气是氨和甲烷所组

成的想法。氢、氦、碳、氮和氧是宇宙中的主要元素。其中最多的

显然是氢。由于占绝对优势的氢的存在，碳、氮、氧就很容易与之

结合而成为甲烷、氨和水。当然除氦和过剩的氢会逸出大气层外。

水则形成了海洋；因为甲烷和氨比较重，所以被地球引力限制于大

气层内，成为当时大气的主要成分。

即使所有的行星最初都有足够的引力拥有上述的大气，它们

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也不能全都永久地保持住它。来自太阳的紫外线会引起大气组成

的变化。但这种影响对外行星来说是比较小的。第一，因为外行

星接受太阳的辐射较少；第二，外行星有很厚的大气层，虽然吸收

了大量的辐射，却没有明显的改变。所以外行星大气层中的氢、

氦、氨和甲烷保存至今。

然而火星、地球、月球、金星和水星

5颗内行星却不是这样。

月球和水星都太小、太热，或既小又热，以致无法留住任何明显的

大气；而火星、地球和金星在开始时，其稀薄大气最主要的成分是

氨、甲烷和水。那么后来却发生了什么样的变化呢？

紫外线辐射撞击地球高层原始大气的水分子，把它们分解成

氢和氧（光离解），氢会逸出大气，于是留下氧。由于氧活性很高，

几乎可和附近的任何分子发生反应。例如与甲烷反应生成二氧化

碳（

CO2）和水，与氨反应生成氮（

N2）和水。慢慢地，然而却稳定不

断地，大气从甲烷和氨转变为氮和二氧化碳。而氮能和地壳中矿

物慢慢反应形成硝酸盐，剩下二氧化碳成为当时大气的主要成分。

水是否能持续进行光离解作用呢？氢是否会一直不停地逸入

宇宙空间呢？氧是否能在大气中不断聚集呢？假如氧在大气中不

断增多，又找不到物质反应（氧无法和二氧化碳再反应），那么会不

会使这部分氧强加到现有的二氧化碳大气中呢（并以此来解释现

在地球大气中的氧）？答案毫不含糊是否定的。

一旦二氧化碳成为大气的主要成分，紫外线辐射就无法通过

水分子的光离解而使大气发生进一步的变化。当氧渐渐以自由状

态在大气中聚集之后，在较高大气层中就会形成一层很薄的臭氧

层，它能吸收紫外线，阻止紫外线到达低层大气，也阻止进一步的

光离解作用。这样，以二氧化碳为主的大气是稳定的。

但二氧化碳会引起温室效应（见第四章）。假如二氧化碳大气

层非常稀薄且远离太阳，水分又很少，这种效应的影响就很小，例

第五章 大 气

第五章 大 气

如火星便是如此。

假如行星的大气层更像地球的大气层，距离太阳也像地球那

么近或更近一些，温室效应就会十分强烈，行星的温度将会升高，

海水大量被蒸发。水蒸气会加强温室效应，加速这种变化，迫使更

多的二氧化碳进入大气。同时也使星壳温度升高。最后，行星将

变得非常炎热。大气中的水分全部成为蒸气，行星表面永远为这

种云气所覆盖，并有一个深厚的二氧化碳大气层。

金星正是这样的情形。它经历了一次失控的温室效应。因为

金星比地球更接近太阳，它能从太阳吸收更多的热量，这正好成为

开始进行温室效应的导火线。

地球经历了一条与金星或火星不同的发展过程。它不像火星

那样，大气中的氮完全被星壳吸收，只留下一层稀薄而寒冷的二氧

化碳；另外，其温室效应也没有将它变成金星上那种高热闷人的荒

凉世界。然而却发生了另一种事，那就是生命在这个星球上开始

发展，也许在大气还是由氨及甲烷组成的时候，生命过程就已经开

始了。

地球海洋中诱发生命的反应，将氮化合物分解，释放出分子

氮，使大气中出现大量的氮。此外，生命细胞借助可见光的能量

（可见光不受臭氧层阻拦），发展出将水分子分解成氢和氧的能力。

氢与二氧化碳结合，形成构成细胞的复杂分子，氧则被释放到大气

中。就这样，由于生命的作用，地球大气才由氮、碳和二氧化碳转

换成氮和氧。温室效应减到很小，地球仍然凉爽，因而能留下其独

特的液态海洋和充满大量游离氧的大气层。

事实上，我们的含氧大气层只具有地球存在历史中最后

1/10

的一段时间的特性。甚至近在

6亿年前，我们大气中的氧也只有

现在的

1/10。

我们现在确实有了这样一个大气层，我们也许应该感谢生命，

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因为就是它使大气充满了游离态的氧，而氧反过来又是生命存在

所必需的。

（林之光 董 敏 译）

第六章 元 素

第六章 元 素

第六章 元素

周期表

至此我所述的都是一些相当大的物体——恒星、星系、太阳

系、地球和它的大气层，现在让我们看看组成它们的物质的特性。

早期的理论

早期希腊哲学家对于大部分问题都采取论证与推理的方法，

他们曾断言地球是由少数元素或基本物质组成的。大约公元前

430年，阿克雷加斯的恩培多克勒把这些基本物质假定为土、空

气、水和火

4种。一个世纪后，亚里士多德又提出天空中含有第五种

元素——以太。中世纪研究物质问题的继承者是中世纪的炼金术

士，他们虽然陷入了幻术和骗术的泥坑，但他们所做的结论比那些

古希腊人更精明和合理，因为他们至少处理过他们所推测的物质。

为了解释这些物质的不同性质，这些炼金术士们列表增添控

制元素，并附上这些元素的各种特性。他们把水银看作是使物质

具有金属特性的元素，而把硫看作是使物质具有可燃性的元素。

16世纪的瑞士物理学家霍恩海姆是炼金术士中最好的一位，他加

了一种元素——盐，并认为它是使物质具有抗热性的元素。

炼金术士们认为，只要按合适的比例加入或取出某些元素，就

可以使该物质变成另一种物质。例如，像铅这种金属，只要加入适

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量的水银就可以转变成金。这种寻求把贱金属转变成金的精密技

术持续了好几个世纪。在这期间，炼金术士们又发现了大量比金

更为重要的物质——譬如无机酸和磷。

无机酸——硝酸、盐酸，特别是硫酸（大约在公元

1300年首次

被制造出来），此项发现引起了炼金术实验中的重大革命。这些酸

比以前知道的最强的酸（醋里面的醋酸）所具有的酸性要强得多，而

且不需要高温及长时间的等待就可以把物质分解。即使在今天这

些无机酸在工业上的用途仍非常重要，尤其是硫酸。据说，一个国

家的工业化程度，可以从它每年消耗的硫酸量来判断。

然而，几乎没有一个炼金术士愿意离开他追求的主要方向而

转到这些重要方面，其中一些无耻之徒，耽溺于骗人的勾当，伪称

他们会变出黄金以便从一些有钱的赞助人那里赢得我们今天所谓

的经费，因此使得这们行业声名狼藉而导致炼金术士这个名称遭

人唾弃。到了

17世纪左右，炼金术士变成了化学家，同时炼金术

也一步步发展成称之为化学的科学。

波义耳是这门科学诞生时出现的化学家中的一位，他建立了

波义耳气体定律（见第五章）。在他的《怀疑的化学家》一书中

（1661年出版），波义耳第一次建立了元素的明确的新准则：元素

是一种基质，它能与其他的元素结合成化合物，相反地，任何一种

元素从一种化合物中分离出来后，就不能再分解成任何更简单的

物质了。

然而，对什么是真正的元素，波义耳仍保留了中世纪的观点。

例如，他认为金不是元素，可用某种方法从其他的金属制得。事

实上，与他同时代的牛顿也这样认为。牛顿在炼金术上花了很多

的时间（的确迟至

1867年，奥匈帝王约瑟夫还发给他造金实验补

助金）。

在波义耳之后的一个世纪里，实际的化学工作者开始弄明白

第六章 元 素

第六章 元 素

了哪些东西可以分成更简单的物质，哪些不可以。卡文迪什曾经

指出，氢可以和氧结合产生水，所以水不是一种元素。后来拉瓦锡

把被认为是元素的空气分解成氧和氮。如此一来事情就理加清楚

了。以波义耳的元素准则来判断，古希腊所提出的元素则都不是

元素了。

至于炼金术士们认为是元素的水银和硫，后来根据“波义耳准

则”也证实确实为元素。其他如铁、锡、铅、铜、银、金和一些非金属

如磷、碳、砷也如此。而巴拉赛尔苏斯认为是“元素”的盐，则被分

解成两种更简单的物质。

当然，元素的定义取决于当时的化学水平。只要某种物质用

当时的化学技术不能分解，它便可以被视为一种元素。例如，拉瓦

锡的

33种元素表中包含了石灰石和氧化镁等物质，但是在他死于

法国革命的断头台上之后

14年，英国化学家戴维使用电流来分解

这两种物质，他把石灰石分解成氧和称为钙的另一种新元素。同

样地，他把氧化镁分解成氧和另一种新元素——镁。

另一方面，戴维已能够证实，瑞典化学家舍勒从盐酸制出来的

气体不像人们所想象的那样是盐酸和氧的化合物，而是一种真正

的元素，并命名为氯（源自希腊字“绿色”）。

原子论

19世纪初，人们提出一套考察元素的全新方法，此法可说是

源于古希腊人的某些方法，古希腊人毕竟提出了已被证实在了解

物质方面是最为重要的独特观点。

希腊人曾展开过关于物质是连续或是不连续的辩论：物质可

以分割并无止境地分成愈来愈细的微粒，还是最后发现它是由不

可再分的质点组成的？大约公元前

450年，留基伯和他的学生德

谟克利特二人坚持物质是不可分的。事实上，德谟克利特还把这

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些质点叫做原子（意为“不可分割”）。他甚至认为，不同物质是由

不同的原子或不同的原子组合所组成的，并且认为，原子重新排列

可以使一种物质转变成另一种物质。考虑到这一切只是聪明的猜

测，人们不免会对他的正确判断力感到震惊。虽然在今天这种观

念是很明显的，但是在当时这些观点是非常模糊的，析拉图和亚里

士多德断然拒绝接受这些观点。

然而，上述观点在伊壁鸠鲁的讲义（写于公元前

300年）及其

学派（伊壁鸠鲁学派）之中存留了下来。罗马的哲学家卢克莱修是

伊壁鸠鲁学说的重要信奉者，大约于公元前

60年，他在自己的一

首长诗《物性论》中具体地把原子观念写了出来。卢克莱修的诗的

一个旧版本经过中世纪保存了下来，这首长诗是印刷术问世后就

印出来的最早著作之一。

原子的概念从来没有完全被西方学者遗忘过，在现代科学诞

生初期的原子论中，最著名的是意大利的哲学家布鲁诺和法国哲

学家伽桑狄。布鲁诺有许多非正统的科学观点，例如，他认为在浩

瀚无边的宇宙里有无数颗恒星（即遥远的太阳），而行星却围绕着

各自的恒星运转。他大胆地表示了自己的观点，结果在公元

1600

年，以异端的罪名而被烧死。他是科学革命中的杰出殉难者。俄

罗斯人为了纪念他，还以他的名字来命名月球背面的环形山。

伽桑狄的气体可以压缩和膨胀的实验，显示出气体必定是由

分布很广的质点所组成。这个观点影响了波义耳，并使波义耳和

牛顿成为

17世纪公认的原子论者。

1799年，法国化学家普鲁斯特证明，无论怎样制备碳酸铜，其

所含铜、碳和氧的重量比例都是一定的，而且该比例是很小的整数

比，为

5:4:1。对于其他一些化合物，他也继续证明出有相似的情

况。

假定化合物是由各元素能结合的完整物体小数目结合形成

第六章 元 素

第六章 元 素

的，可以恰当地解释这种情况。英国化学家道尔顿在

1803年指出

了这种情况，并且在

1808年出版了一本书，该书的新化学资料都

是过去

100年来所收集的，如果假设所有的物体都是由不可分割

的原子所组成，那么有一半的资料都可证实其意义（道尔顿保留了

古希腊字“原子”以表示对古代思想家的赞赏之意）。原子论提出

不久，大部分的化学家都接受了这项理论。

根据道尔顿的学说，每个元素都拥有一种特别的原子，不论该

元素的量有多少，都是由这种相同的原子所构成的。而且一种元

素之所以不同于另外一种元素，是由于它们的原子性质不同，原

子间的基本物理差异是它们的重量不同，这样，硫原子比氧原子

重，而氧原子比氮原子重；依次氮原子又比碳原子重；碳原子又比

氢原子重。

意大利化学家阿伏伽德罗曾将原子论应用在气体上，以证明

等体积的气体（不论它的性质是什么）是由等数目的质点所组成，

这就是阿伏伽德罗假说。最初认为这些质点是原子，但是最后弄

清，在大部分情况下是由称为分子的小原子团所构成的。若一个

分子含有不同种类的原子（像水分子，它含有

1个氧原子和

2个氢

原子），它就是一种化合物的分子。

自然，测量不同原子的相对重量——也就是找出各元素的原子

重量就变得很重要了。靠

19世纪以前的称重技术要想称得微小原

子的重量是不可能的，但是先称量从化合物中分离出来的每个元素

的重量，再根据各种元素的化学性质来推测，就可能得到原子的相

对重量。第一位系统地进行这项工作的就是瑞典的化学家贝采利

乌斯。

1828年，他根据两种标准发表了一个原子量的表，这两个标

准是先任意地假定氧的原子量为

100和氢的原子量为

1。

贝采利乌斯的系统在当时并没有立即引起人们的注意；但是

到了

1860年，在德国卡尔斯鲁厄召开的第一次国际化学会议上，

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意大利的化学家坎尼札罗提出确定原子量的新方法，应用了到那

时为止一直遭到忽视的阿伏伽德罗假说。坎尼札罗在会议上激动

地描述了他的观点，当时曾使整个化学界都为之折服。

在那个时候，被采用作为重量标准的是氧而不是氢，因为氧较

易与其它不同的元素结合（在确定原子量的方法中，与其他元素结

合可算是一个关键的步骤）。1850年，比利时化学家史塔斯把氧

的原子量定为

16，以使已知的最轻元素——氢的原子量大约为

1，

精确地说是

1.008 0。

自坎尼札罗以来，化学家们努力寻找更准确的原子量。就纯

化学的方法来说，美国化学家理查兹在这方面的研究达到了顶点。

1904年及以后，他以从未达到过的精确度测定了原子量，因而得

到了

1914年的诺贝尔化学奖。基于稍后关于原子的物理结构的

发现，理查兹的数值被修正得更精确。

在整个

19世纪，虽然大部分的工作都集中在原子和分子方

面，而且科学家们都相信其真实性，但是却没有直接的证据可以证

明它们是确实存在的而不是抽象的东西。一些著名的科学家，像

德国化学家奥斯特瓦尔德，就拒绝接受它们是实在之物，他认为它

们有用却不是“真实的”。

后来的布朗运动则澄清了分子的真实性。这是

1827年首先

由苏格兰植物学家布朗发现的。他注意到悬浮在水面上的花粉粒

会不规则地轻轻移动，以为这是由于藏在花粉粒中的小生命的缘

故，但是大小完全相同的染料质点也显示同样的运动。

1863年，他首先指出移动是由于周围水分子以不同的力撞

击质点。对于大的物体，从右边和左边撞击物体的水分子数目虽

然有些不同，但对于物体本身却没有影响。而对于微小的物体，也

许每秒只受到几百个水分子的撞击，某一边的分子稍微多几

个——这边或那边——就可导致令人感觉得到的轻微移动。小质

第六章 元 素

第六章 元 素

点的杂乱运动几乎成了水和一般物质的颗粒性的可见证据。

爱因斯坦对布朗运动作了理论分析，并且指出如何根据染料

颗粒轻微移动的程度来计算分子的大小。1908年，法国物理学家

皮兰研究了质点在重力的影响下，下沉时通过水面的行为，结果发

现其下沉运动会被来自底下的分子碰撞所抵消，所以布朗运动可

说是地心引力的方向相反。皮兰利用这项发现，并且根据爱因

斯坦所导出的方程式，算出了分子的大小，这连奥斯瓦尔德也不得

不接受这一观点。皮兰就因为这项研究获得

1926年的诺贝尔物

理学奖。

这样原子就从半神秘的抽象转变成为几乎实体的东西。的

确，今天我们已可以说“看到”原子了。这是借助于宾夕法尼亚州

立大学的

E. W.米勒在

1955年发明的场离子显微镜实现的，这种

仪器可以从极细的针尖打出带正电荷的离子并把它们身到荧光屏

上，让它们产生

500万倍的针尖放大影像。这个影像可以使构成

针尖的个别原子成为明亮的小点，后来又经过改进可得到每个单

一原子的影像。美国的物理学家克鲁在

1970年报导，已借助扫描

电子显微镜观察到铀和钍的单个原子。

门捷列夫周期表

到了

19世纪，当元素数目增多时，化学家们开始觉得他们好

像陷入了一片浓密的丛林中。每个元素都有不同的性质，但是他

们却找不到依据把它们排列成表。由于科学的本质就是要在明显

的混乱中试着找出次序，所以科学家们仍然努力不懈地寻求元素

性质的某种规律。

1862年，紧接坎尼札罗确定原子量为化学上的一个重要研究

手段之后，法国地质学家比古耶·德·尚库图发现可以按原子量渐

增的次序把元素排列成表，这样一来，性质相同的元素就排在同一

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行里了。过了两年以后，英国化学家纽兰兹也得到相同的排法。

但是这两位科学家却遭到嘲笑和轻视，在那时他们都无法让自己

的主张确切地发表出来。经过了许多年，在大家普遍承认周期表

的重要性之后，他们的论文才得以发表。纽兰兹甚至还因此得到

了奖章。

俄国化学家门捷列夫终于从杂乱无章的元素中理出了头绪。

1869年，他和德国化学家迈耶尔共同提出了元素表，虽然基本上与

比古耶·德·尚库图和纽兰兹已经做过的一样，但是门捷列夫具有比

他们更大的勇气和信心来宣扬他的观点，因此得到了世人的承认。

首先，门捷列夫的周期表（之所以称为周期表是因为表中相似

化学性质的元素周期性的重复出现）比纽兰兹的元素表复杂，而且

也较接近目前认为正确的周期表（见表

6-1）。其次，按照元素性

质的排法与根据原子量排成的次序有出入，然而门捷列夫认为性

质重于原子量，于是大胆地改变原来的次序。最后证实他是对的。

例如，原子量为

127.61的碲，若以原子量为准，则应排在原子量是

126.91的碘之后。但在该分栏的周期表中，把碲放在碘的前面可

以把它置于性质和它极为相似的硒的下方；同时，这样一来，也就

把碘置于和它性质相似的溴的下面了。

最后，也是最重要的，门捷列夫毫不犹豫地在周期表上留下一

些空格，并且信心十足地宣称一定还可以发现属于这些空格的元

素。他还用表中待填补的元素的上下元素的性质作为参考，指出

三个待补元素的大致性状。门捷列夫非常幸运，在他有生之年，他

所预测的三个元素都被发现了，因此他能亲眼目睹自己所建立的

系统的成功。

1875年，法国化学家勒科克·德·布瓦博德朗发现了

遗漏的三个元素中的第一个，并命名为镓（是以“法国”的拉丁文来

命名的）。1879年，瑞典化学家尼尔森发现了第二个，并命名为钪

（是以“斯堪的纳维亚”来命名的）。而在

1886年，德国化学家温克

第六章 元 素

第六章 元 素

勒发现了第三个，并命名为锗（当然是以“德国”这个名字来命名

的）。这三个元素的性质几乎和门捷列夫所预测的一样。

原子序数

随着伦琴发现了

X射线之后，周期表的历史展开了新的纪

元。1911年，英国物理学家巴克拉发现，当

X射线受到一块金属

散射时，散射光有一定的穿透力，其大小随金属而有所不同。换句

话说，每种元素可产生特征

X射线。由于这项发现，巴克拉获得

了

1917年的诺贝尔物理学奖。

然而，X射线究竟是微小的质点束，还是像光一样的波状辐

射，仍然是一个悬而未决的问题。有一种鉴定方法就是看

X射线

是否能借助含有一系列细线的衍射光栅而衍射（即改变射线方

向）。要想得到适当的衍射，这些细线的间距必须大致与辐射线的

波长大小相等。目前最密的人工衍射光栅，一般光线刚好适用，但

是由

X射线的穿透力得知，若

X射线像波一样，则其波长一定远

小于一般光线。因此一般的衍射光栅不能使

X射线产生衍射。

当时德国物理学家劳厄想到，晶体是远比人工光栅更细小的

天然光栅。晶体是一种几何形状整齐的固体，而在固体平面之间

有一定的特定角度，并且有特定的对称性。这种规律是构成晶体

结构的原子有次序地排列的结果。有理由认为，一层原子和另一

层原子之间的距离大约是

X射线波长的大小。如果这样，晶体会

使

X射线衍射。

劳厄做实验发现，

X射线通过晶体时确实会产生衍射，而且在

照相底片上形成一种图案，显示它们具有波的性质。同一年间，英

国物理学家

W. L.布喇格和他的父亲

W. H.布喇格研究出计算

衍射图案上各种

X射线波长的方法。反过来，

X射线衍

射图案最后用来决定使

X射线衍射的原子层的确切方向。这样

318最新科学指南（上）

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氢

(H) 1.008

3 4

锂 铍

(Li) 6.939 (Be) 9.012

11 12

钠 镁

(Na) 22.990 (Mg)24.312

19 20 21 22 23 24

钾 钙 钪 钛 钒 铬

(K) 39.102 (Ca) 40.08 (Sc) 44.956 (Ti) 47.90 (V) 50.942 (Cr) 51.996

37 38 39 40 41 42

25

26

27

锰

铁

钴

(Mn)54.938

(Fe) 55.847

(Co)58.9332

43

44

45

铷

锶

钇

锆

铌

钼

锝*

钌

铑

(Rb) 85.47

(Sr) 87.62

(Y) 88.905

(Zr) 91.22

(Nb)92.906

(Mo) 95.94

(Tc) 98.91

(Ru)101.07

(Rh)102.9055

55

56

57

58

59

60

61

62

63

铯

钡

镧

铈

镨

钕

钷*

钐

铕

(Cs)132.905

(Ba) 137.34

(La)138.91

(Ce) 140.12

(Pr)140.907

(Nd)144.24

(Pm) 145

(Sm)150.35

(Eu) 151.96

72

73

74

75

76

77

铪

钽

钨

铼

锇

铱

(Hf) 178.49

(Ta)180.948

(W) 183.85

(Re) 186.2

(Os) 190.2

(Ir) 192.22

87

88

89

90

91

92

93

94

95

钫*

镭*

锕*

钍*

镤*

铀*

镎*

钚*

镅*

(Fr) 223

(Ra) 226.05

(Ac) 227

(Th)232.038

(Pa) 231

(U) 238.03

(Np) 237

(Pu) 243

(Am) 243

104

105

钅卢*

钅罕*

(Rf) 104

(Ha) 105

表 6-1元素周期表。表内阴影区代表两种稀土系列：镧系和锕系，分

别以第一个元素的名称命名。右下角的数字代表元素的原子量。有 “*”

号的元素表示具有放射性。每个元素的原子序数记在方格的上方

第六章 元 素

第六章 元 素

2

氦

(He) 4.003

5

6

7

8

9

10

硼

碳

氮

氧

氟

氖

(B) 10.811

(C) 12.011

(N) 14.007

(O) 15.999

(F) 18.998

(Ne)20.183

13

14

15

16

17

18

铝

硅

磷

硫

氯

氩

(Al) 26.982

(Si)28.086

(P) 30.974

(S) 32.064

(Cl) 35.453

(Ar) 39.948

28

29

30

31

32

33

34

35

36

镍

铜

锌

镓

锗

砷

硒

溴

氪

(Ni) 58.70

(Cu) 63.54

(Zn) 65.37

(Ga) 69.72

(Ge)72.59

(As)74.922

(Se) 78.96

(Br)79.909

(Kr) 83.80

46

47

48

49

50

51

52

53

54

钯

银

镉

铟

锡

锑

碲

碘

氙

(Pd) 106.4

(Ag)107.870

(Cd)112.40

(In) 114.82 (Sn)118.69

(Sb) 121.74

(Te)127.60

(I) 126.904

(Xe) 131.30

64

65

66

67

68

69

70

71

钆

铽

镝

钬

铒

铥

镱

镥

(Gd)157.25

(Tb) 158.924

(Dy) 162.50

(Ho)164.930

(Er)167.26

(Tm) 168.93 (Yb)173.04

(Lu)174.97

78

79

80

81

82

83

84

85

86

铂

金

汞

铊

铅

铋

钋*

砹*

氡*

(Pt) 195.09

(Au) 196.967

(Hg) 200.59

(Tl) 204.37 (Pb)207.19

(Bi) 208.98

(Po) 210

(At) 210

(Rn) 222

96

97

98

99

100

101

102

103

锔*

锫*

锎*

锿*

镄*

钔*

锘*

铹*

(Cm) 247

(Bk) 245

(Cf) 246

(Es) 253

(Fm) 255

(Md) 256

(No) 255

(Lw) 257

Ken777注：

原书此表在元素数量、标识及原子量等方面与现行元素周期表略有不同，可能

是作者写作时的情况，请读者注意。

其中 105号元素“钅罕 ”，目前审定的元素中文名为“钅杜 ”，后同。

另，重制此表时，用不同背景色表示不同性质，如下：

碱金属过渡金属非金属镧系元素

碱土金属主族金属惰性气体锕系元素

最新科学指南（上）

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一来，X射线便打开了了解晶体原子结构新知识的大门。由于在

X射线方面的研究，劳厄终于获得

1914年的诺贝尔物理学奖，而

布喇格父子则在

1915年同享该奖。

1914年，年轻的英国物理学家莫塞莱测定出由不同金属产生

的特征

X射线的波长，并且发现周期表中各元素的波长随周期表

中的排列顺序有规则地递减。

这使每个元素在周期表上有了固定的位置。假定在周期表上

位置邻近的两个元素，其所得

X射线波长相差了某一期待值的

2

倍，那么它们之间一定有一个属于未知元素的空位。

如果差

3倍的话，一定缺两个元素。换句话说，如果两个元素

的特征

X射线波长相差正好为期待值，则我们可确定它们之间没

有缺少元素。

这样就可能给出元素的确定数目了。在这以前，常有某个新

发现的元素打破这种序列，但是到了现在，就不会再有未预计到的

空位了。

化学家把元素从

1（氢）排到

92（铀）。发现这些原子序数与原

子的内部构造有相当重要的关系（见第七章），而且重要性超过原

子量。例如，由

X射线资料证明，门捷列夫不管碲的原子量比较

高而硬把碲（原子序数定为

52）排在碘（原子序数

53）的前面，这

种做法是正确的。

莫塞莱的新系统几乎立即就显出其价值。法国化学家欧本在

发现镥（以“巴黎”的古拉丁名字命名）不久之后，他又宣称发现另

一个元素，称之为“Celtium”。根据莫塞莱的体系，镥是

71号，

Celtium应该是

72号。但是当莫塞莱分析

Celtium的特征

X射线

时，发现它本来就是镥。直到

1923年，丹麦物理学家科斯特和化

学家赫维西才在哥本哈根实验室里发现了原子序数为

72的元素，

命名为铪（源于“哥本哈根”的拉丁名字）。

第六章 元 素

第六章 元 素

莫塞莱测定法的准确度获得证实之时，他已不在人世了；他

1915年死于战火之中，享年

28岁——莫塞莱无疑是第一次世界

大战中丧生的最有价值的人之一。或许因为他的早亡，莫塞莱失

去了获得诺贝尔奖的机会。瑞典物理学家西格班扩大了莫塞莱的

研究，结果发现新的

X射线系列，并且很精确地定出各种元素的

X射线光谱，因此获得了

1924年的诺贝尔物理学奖。

1925年，德国的

3位学者诺达克、塔克和帕格在周期表上填

补了另一空位。他们是经过

3年对他们要寻找的这种元素的矿砂

深入地研究后才找出

75号新元素的，为了表示对莱茵河的崇敬之

意，因此命名为铼。这就使周期表只剩下

4个空格：元素

43号、

61号、85号和

87号。

追踪这

4个元素花了

20年的时间。那时候化学家们尚不知

他们找到了最后一个稳定的元素。至于缺少的都是不稳定的元

素，在今天的地球上是很少存在的，因而除其中一个元素外都必须

在实验室中来辨认，因此大有文章。

放射性元素

识别元素

在

1895年发现

X射线之后，许多科学家都兴致勃勃地去研

究这些具有巨大穿透能力的辐射。其中有一位就是法国物理学家

A. H. 贝克勒耳。他的父亲

A. E. 贝克勒耳（他是第一位拍摄太阳

光谱的物理学家）对荧光非常有兴趣，而荧光是当物质受到阳光中

的紫外线照射后放射出来的一种可见辐射。

A. E. 贝克勒耳特别研究了叫做硫酸铀酰钾的荧光物质，这

是一种每个分子都含有一个铀原子的化合物。但是，

A. H.贝克

勒耳却很想知道硫酸铀酰钾的荧光辐射线里是否含有

X射线。

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于是，他把这种化合物放在包上黑纸的照相底片上，然后把它放在

阳光下，太阳的紫外线会激发出荧光。因为阳光不能透过黑纸，所

以阳光本身不会影响底片；但是如果由阳光所激发的荧光里含有

X射线，它们就会穿透黑纸而使底片变暗。他在

1896年做了这项

实验，结果发现果真如此，很明显在荧光里有

X射线。他甚至让

这种猜想的

X射线透过铝和铜的薄片，从而更加确定它的存在，

因为当时除了已知的

X射线外，还不知道有别的射线能够做到这

一点。

但是后来

A. H. 贝克勒耳走了运，正当实验进行之中，天气却

转阴了好几天。在等待天气转晴的那段期间，他把上面有少量硫

化物的底片收好，放入抽屉里。过了几天后，他等得不耐烦了，决

定把底片冲洗出来，因为他想即使没有阳光直射也应该会有一点

X射线产生。当他看到冲洗出来的照片时，他大感惊讶并且感受

到所有科学家们梦寐以求的喜悦。原来照相底片受到强烈的辐射

而变得深暗！这绝不是荧光或阳光所能办到的，必定有某种别的

东西在起作用，因此，

A. H. 贝克勒耳断定（并通过几次实验很快

就证明）这东西就是硫酸铀酰钾中所含的铀。

这项发现使得因发现

X射线而深感兴奋的科学家们更加振

奋。有一位科学家立即着手研究从铀发射出来的这种奇怪辐射，

她就是年轻的波兰出生的化学家玛丽·斯可罗多夫斯卡（居里夫

人），在这之前一年，她刚与发现居里温度（见第五章）的皮埃尔·居

里结了婚。

皮埃尔·居里与他的弟弟雅克·居里合作，发现若外加压力于

某些晶体，则一边会产生正电荷，而另一边会产生负电荷。此现象

称为压电现象。居里夫人决定借助压电来测量铀放射出来的辐

射。她装置了一套设备，借助铀的辐射可以游离两极间的空气，而

后会有电流流动，此小电流的强度可以通过测量为产生制衡反向

第六章 元 素

第六章 元 素

电流所施加结晶体的压力大小而获得。此法非常有效，因此皮埃

尔·居里立刻放弃自己的工作，用其毕生精力加入其夫人的研究。

提出放射性这一术语以描述铀元素的放射能力的人就是居里

夫人。她后来以第二种放射性物质——钍继续来证明该现象。此

后，很快其他的科学家也陆续有许多重要的发现。从放射性物质

发射出来具有穿透力的辐射线，比

X射线更具有穿透力，而且能

量更高；现在它们被称为

γ（伽玛）射线。另外，放射性元素也被发

现会放射其他种类的辐射，而这些辐射导致后来发现原子内部的

结构，关于这点在另一章再谈（见第七章）。在讨论元素时最值得

注意的是发现放射性元素在发出射线的过程中会转变为另一种元

素——后来叫做嬗变。

居里夫人是第一位研究这种现象的本质的人，她是由于一个

偶然的机会开始这项研究的。当她正在测试沥青铀矿是否含有值

得再提炼的足够铀元素时，她和她的丈夫很惊讶地发现，其中有几

块矿石的放射性甚至比纯铀应该具有的放射性还要强。当然这意味

着在沥青矿里还存有其他的放射性元素。这些未知元素只能以少

量存在，因为一般的化学分析都检验不出来，所以它们必定有很强

的放射性。

最令居里夫妇兴奋的是，他们取得了几吨的沥青铀矿，并在一

个小木棚里建造了他们的工作场所，在极为简陋的条件下，以极大

的毅力驱策着他们前进——为了找出极少量的新元素，他们继续

与那又黑又重的矿物奋斗。在

1898年

7月，他们分离出放射性强

度为同量铀元素

400倍的少量黑色粉末。

这种粉末是一种化学性质与碲元素相似的新元素，因此在周

期表中它应该排在碲的下方（后来它的原子序数被定为

84），居

里夫妇把它叫做钋，是以居里夫人的祖国命名的。

但是钋只能解释粉末中的一部分放射性。于是居里夫妇继续

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做了更多的研究工作，并在

1898年

12月，提炼出了一种放射性比

钋还要强的物质。该物质含有另一种元素，它的性质类似钡（后来

被置于钡的下方，原子序数为

88）。居里夫妇把它叫做镭，因为其

放射性很强。

他们持续工作了

4年，来收集足够的纯镭以便能够了解它。

后来居里夫人在

1903年把她的研究写成提要，作为博士论文。这

也许是科学史上最重要的一份博士论文，她也因此赢得了两项诺

贝尔奖。居里夫人和她的丈夫以及

A. H. 贝克勒耳因研究放射性

而共同获得

1903年的诺贝尔物理学奖；1911年时，居里夫人又因

发现钋和镭而单独获得诺贝尔化学奖（因为她丈夫在

1906年因车

祸丧生了）。

钋和镭比铀和钍更加不稳定，换句话说，就是更具放射性，每

秒有较多的原子衰变，寿命极短。事实上，宇宙里所有的钋和镭应

在大约

100万年里便全部消失掉。但为何在有几十亿年的地球上

仍然可以找到它们呢？答案就是针和镭在铀和钍衰变成铅的过程

中会继续形成。不论在哪里找到铀和钍，同样也可以发现少量的

钋和镭，它们是在铀和钍最终衰变成铅的过程中的中间产物。

通过对沥青铀矿的仔细分析和对放射性物质的深入研究，在

铀和钍衰变成铅的过程中发现了其他

3种不稳定的元素。

1899

年，戴柏伦接受了居里夫妇的建议，在沥青铀矿中寻找其他的元

素，后来他找出一种叫做锕（源于希腊文“射线”）的元素，此元素的

原子序数最后定为

89。翌年，德国物理学家多恩证实在镭衰变时

会产生一种气体元素：放射性气体在当时还是一种新的东西。最

后此元素被命名为氡（源自它的化学近亲镭和氩），原子序数为

86。1917年，两个不同的小组——德国的哈恩和迈特纳以及英国

的索迪和克兰斯顿——从沥青铀矿中分离出新元素

91，命名为

镤。

第六章 元 素

第六章 元 素

寻找遗漏的元素

到

1925年，周期表中被确认的元素已有

88种——其中有

81

种稳定元素和

7种不稳定元素。这样寻找

4种遗漏的元素（即第

43号、61号、85号和

87号元素）就十分迫切了。

因为从原子序数

84～92的所有已知元素都具有放射性，科学

家们很有信心地预测，85号和

87号同样也具有放射性。另一方

面，43号和

61号由稳定元素包围着，又似乎没有理由预测它们本

身不是稳定的；因此它们应在自然界中找到。

第

43号元素，正好位于周期表铼元素之上方，预测和铼具有

相似的性质并且可以在同样的矿物中找到。事实上，发现铼元素

的诺达克、塔克和柏格小组相信，他们已检验出与元素

43同样波

长的

X射线。所以他们宣布，他们也发现了

43号元素，并命名为

masurium，是以东普鲁士的一个区域来命名的。然而他们的鉴定

并未受到肯定：在科学上，一项发现至少要有另一位研究者加以

证实，否则就不算是一项发现。

1926年，伊利诺大学的两位化学家宣布，他们已经在含有其

邻近元素（

60和

62）的矿物中，找到元素

61，他们把这种发现物命

名为

illinium。同年，一对意大利化学家在佛罗伦斯大学认为，他

们已经分离出相同的元素并命为

florentium。但是这两组化学家

的工作都没有得到其他化学家的证实。

数年后，一位亚拉巴马工程学院的物理学家，使用一套他自己

设计的分析法，报告说他已找到少量的元素

87和

85；他称之为

virginium和

alabamine，是分别根据他的祖国及州名来命名的。但

这些发现也都没有得到证实。

后来事实证明上述元素

43号、61号、85号、和

87号的“发现”

是错误的。

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这

4种元素中，第一个被确认的是

43号元素。因发明回旋加

速器（见第七章）而得到诺贝尔物理学奖的美国物理学家劳伦斯以

高速质子撞击

42号元素钼，在加速器内制造出了这个元素。这样

撞击出来的物质具有放射性。劳伦斯把它送给对

43号元素非常

有兴趣的意大利化学家塞格雷去分析。塞格雷和他的同事佩列尔

从钼元素中分出放射性部分后，发现它性质上很像铼，但却不是铼

元素。他们认定它就是元素

43，因为它不是由高原子序数元素

衰变而成的产物，根本就不存在于地壳里，因此毫无疑问诺达克和

他的同事们错认为他们已经找到它了。塞格雷和佩列尔最后获得

了命名

43号元素的权利；他们把它命名为锝，源于希腊字，意为

“人工的”，因为它是第一个在实验室里制造出来的元素。在

1960

年之前，已经累积了足够的锝以确定其熔点——接近

2 200℃（塞

格雷后来因为另一项发现得到诺贝尔奖，那项发现与另一种从实

验室里制造出来的物质有关，见第七章）。

1939年，元素

87终于在自然界中被发现了。法国化学家佩

雷把它从铀元素的衰变产物中分离出来。元素

87的存在量极少，

只有在技术加以改进后才能够在以前未找到它的地方把它找出

来。后来她把这个新元素命名为钫，是以她的祖国的名字来命名

的。

元素

85像锝一样，是在回旋加速器中撞击铋（元素

83）时所

产生的。1940年，塞格雷、科森和麦肯齐在加利福厄亚大学分离

出元素

85，那时塞格雷已经从意大利移民到美国。第二次世界大

战中断了他们对此元素的研究工作，但是战后他们又继续研究，而

在

1947年，将这个元素命名为砹，源于希腊字，意为“不稳定”（当

时，他们就像提炼钫一样，在自然界从铀的衰变产物中发现了微量

的砹）。

至于第四个也是最后一个遗漏的

61号元素，已经从铀裂变

第六章 元 素

第六章 元 素

（此过程可见第十章的说明）的产物中找到（锝也在这些产物中出

现）。三位橡树岭国家实验室的化学家——马林斯基、格伦丁宁及

科里尔——于

1945年分离出

61号元素。他们把它命名为钷，是

根据盗取太阳之火给人类的希腊半神半人的普罗米修斯来命名

的，因为

61号元素是从原子炉内太阳般的烈火中盗取出来的。

至此，元素一览表从

1～92终于完整了。但是从某种意义上

说最艰巨的历程才刚刚开始。因为科学家已经打破了周期表的界

限，铀不再是最后一个元素了。

超铀元素

对于原子序数超过铀的元素——超铀元素——的研究早在

1934年就开始了。费密在意大利以一种新发现的叫做中子（见第

七章）的亚原子粒子来轰击元素时，常把该元素转变成原子序数比

它大

1的元素。难道铀能造成

93号元素——一种完全人工合成

的元素？当时人们认为这种元素在自然界中是不存在的。费密小

组继续以中子轰击铀并得到他们认为确实是

93号元素的产物，称

之为铀

X。

1938年，费密因为研究中子轰击而获得诺贝尔物理学奖。当

时，他对这项发现的真正意义，或这项发现对人类将会产生的后

果，甚至连想也没有想过。像另一位意大利人哥伦布一样，他所发

现的虽然不是他本来想找的东西，但重要性却远远超过他当时所

能想象到的。

在这里只要指出一点就够了，人们在错误的道路上进行了一

系列追索之后，终于发现费密所做的并不是创造了一种新元素，而

是把铀原子分裂成两个大致相等的部分。当物理学家在

1940年

又着手研究这个过程时，

93号元素的出现几乎可说是实验的偶然

结果。以中子轰击铀得到的混合物元素中，有一种起初无法辨认

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的元素，使加利福尼亚大学的麦克米伦渐渐明白，也许核裂变放出

来的中子把铀原子转变成原子序数更大的元素，这种推测正如费

密所希望发生的一样，麦克米伦和艾贝尔森后来证明这个未鉴定

的元素，事实上就是

93号元素。证实这个元素存在的证据是它在

放射性方面所具有的特点，这是后来新发现的所有元素的共同情

况。

麦克米伦认为另一个超铀元素也许与

93号元素混在一块。

化学家西博格与他的同事

A. C. 沃尔和肯尼迪一起实验，不久便

证实了这项推测，这个元素就是

94号元素。

一度被认为是周期表的最末一个元素的铀，由于是以那时新

找到的行星天王星来命名的，故

93号、94号元素也是以后来找到

的海王星和冥王星来命名：它们分别是镎和钚。后来因为发现铀

矿里存有少量的镎和钚，这样铀毕竟不是最重要的天然元素了。

西博格和加利福尼亚大学的一个研究小组，其中有杰出的吉

尔索，他们一个接着一个继续制造出更多的超铀元素。1944年，

他们以亚原子粒子轰击钚，产生了

95号和

96号元素，并分别命名

为镅（是以美国这个名字来命名的）和锔（是以居里夫妇来命名

的）。当他们制造出足够量的镅和锔时，再以中子来轰击这些元

素，于

1949年成功地制造出

97号元素。1950年制造出

98号元

素。它们分别被命名为锫和锎，是以伯克利和加利福尼亚州来命

名的。1951年，西博格和麦克米伦以这一连串的成就而获得了诺

贝尔化学奖。

接下来的元素则是在更加灾难性的情况下被发现的。

99号

和

100号元素是在

1952年

11月太平洋第一颗氢弹爆炸时发现

的。虽然在爆炸碎片里检验出这些元素的存在，但是却一直到

1955年加利福尼亚大学的研究小组在实验室里造出这两种少量

元素之后，才被肯定与命名。为了纪念数月前逝世的爱因斯坦和

第六章 元 素

第六章 元 素

费密，命名为锿和镄。然后这个研究小组又以中子轰击少量的锿

并生成

101号元素。为了纪念门捷列夫，把它称为钔。

接着加利福尼亚大学和瑞典的诺贝尔研究所共同合作。诺贝

尔研究所用一种特别复杂的轰击方式产生了少量的

102号元素。

后来为了对该研究所表示崇敬之意，把它命名为锘。此后用别的

方法而不是诺贝尔研究所最先采用的方法也得到了这个元素，以

致在锘正式被接受成为这个元素的名字之前，又拖了一段时间。

1961年，加利福尼亚大学检验出

103号元素的一些原子，为

纪念刚刚去世的劳伦斯而命名为铹。1964年，苏联弗勒罗夫领导

下的小组报导说已经制造出

104号元素，并且在

1967年制造了

105号元素。但是这两项实验及其制造元素时所使用的方法没有

得到确认。美国吉尔索领导下的研究小组以其他的方法造出了这

两种元素。苏联小组把

104号元素命名为钅库，以纪念

1960年逝世

的库尔恰托夫，他曾担任过苏联一个专门研究原子弹系统的领导

人。而美国的研究小组却把

104号元素命名为钅卢，把

105号命名

为钅罕，以纪念卢瑟福和哈恩，因为他们两人在亚原子结构方面有很

重要的贡献。已经报导的元素达到

109号。

超重元素

在攀登超铀元素的过程中，每一步都比前一步更困难。在每

一个连续阶段，元素变得更难积聚和更不稳定。当到钔时，鉴定的

工作只好根据

17个原子来进行。幸运的是，到

1955年时，辐射线

检验技术有了极大的改进。伯克利的科学家们把他们的仪器装到

警铃上，以便每次有钔原子产生时，钔分裂发射出来的特征辐射都

能使铃声大作，来宣告已经发生了这件事（消防部门很快地就禁止

了这种做法）。

原子序数较高的元素是在更罕见的情况下被检验出来的。只

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要注意衰变产物的细节，就可以检验出被检元素的单个原子。

科学家们除了盼望有打破纪录以及在科学史上写下他们是某

种元素的发现者那种激动的欢乐外，还有什么能使他们有更进一

步的努力呢（最伟大的化学家拉瓦锡，从来就没有完成过这样的发

现，因此，失败的感觉经常深深地困扰着他）？

一种可能的重要发现有待挖掘。原子序数增加时，不稳定性

的增加并不是均匀的。最复杂的稳定原子是铋（

83号）。在它之

后，从

84号～89号，6种元素都非常不稳定，以致在地球形成时它

们的存在量到目前已经完全消失。然而，令人惊讶的是后继的钍

（90号）和铀（

92号）几乎是稳定的。在地球形成时原来就存在的

钍和铀之中，如今前者还存在

80%，后者为

50%。对这一现象，物

理学家已找出原子结构的理论来加以解释（在下一章中说明）。如

果那些理论是正确的话，那么

110号和

114号元素应该比根据它

们的高原子序数所预期的更稳定。因此，作为检验理论的一种方

法，人们对得到这些元素相当有兴趣。

1976年有一篇报道说，某

些光轮（云母中的环状黑点）可以显示出这些超重元素的存在。由

小块的钍和铀放射出来的辐射会产生普通的光轮，但是有少数特

大的光轮则一定是由能量更高的放射性原子所产生的，而且这些

原子一定尚有足够的稳定性才能持续到今天，这些可能就是超重

元素。很不幸，这种推论未受到科学家们的普遍支持而遭到搁置。

科学家们仍在关注着。

电 子

当门捷列夫和他的同辈发现元素在同斯表中可以排在由性质

相似的物质组成的族时，他们还不明白为什么某些元素可以排入

同一族，也不明白为什么性质会相关。终于一个清楚而又相当简

第六章 元 素

第六章 元 素

单的答案出现了，不过这个答案是在一系列乍看起来似乎与化学

并没有什么关系的发现之后才出现的。

这一切都是随着电现象的研究开始的。法拉第完成了他能想

到的每个电学实验后，打算进行一次让电荷通过真空的实验。但

是他不能得到适合此目的的真空。到了

1854年，一位名叫盖斯勒

的吹玻璃的德国人发明了一种符合要求的真空泵，并制造出从未

有过的真空内封有金属电极的玻璃管。当实验者在盖斯勒管内成

功地实现了真空放电时，他们注意到在负电极反方向的管壁上出

现了一种绿色的辉光。1876年，德国物理学家

E.戈德斯坦认为，

绿色辉光是由法拉第称为阴极的负极产生的某种辐射撞击到玻璃

上所引起的。E. 戈德斯坦把这种辐射称为阴极射线。

阴极射线是一种电磁辐射吗？E. 戈德斯坦认为是，但英国物

理学家克鲁克斯和其他的人却说不是；他们认为阴极射线是某种

粒子束。克鲁克斯设计改进了盖斯勒管（称为克鲁克斯管），借助

这种真空管他能够证明这种射线会被磁铁偏转。因此，这种射线

可能是由带电粒子所组成的。

1897年，物理学家

J. J. 汤姆孙证实了阴极射线也会被电荷影

响而偏转，无疑解决了这一问题。然而这些阴极“粒子”是什么呢？

那时候惟一知道的带负电的粒子是原子的负离子。实验证明，阴

极射线粒子不可能是这种离子，因为它们受电磁场的偏转如此强，

所以它们必然具有难以想象的高电荷，要不就是非常轻的粒子，质

量不到氢原子的

1/1000。后一解释最能与证据吻合。物理学家

们已经在猜测粒子携带电流，因此这些阴极射线粒子被认为是电

的基本粒子。它们被称为电子——1891年由爱尔兰物理学家斯

托尼提出来的一个名字。最后电子的质量被定为氢原子的

1/1 837。J. J.汤姆孙由于确定了电子的存在，因而获得了

1906

年的诺贝尔物理学奖。

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电子的发现立刻联想到电子可能是原子的亚粒子——换句话

说，原子并不像德谟克利特和道尔顿所想象的是物质最终的不可

分割的单位。

这是难以相信的，但一系列的证据无情地证明了这一点。最

令人信服的一个证据是，J. J. 汤姆孙证明金属板受到紫外光照射

时所放出来的负电粒子（光电效应）与阴极射线的电子相同。光电

子一定是从金属原子中被撞击出来的。

周期表的周期性

因为电子可以容易地从原子放出（除光电效应外还可由别的

方法），自然得出它们会位于原子外层的结论。若是如此，原子内

一定有正电荷区来平衡电子的负电荷，因为整个原子通常是中性

的，正是在这点上研究者们开始向揭开周期表的神秘之路迈进。

从原子放出电子，需要少量的能量。相反地，当电子填入原子

中的空位时，它也一定会放出相等的能量（自然界通常是对称的，

尤其在考虑能量时）。此能量会以电磁辐射的形式放出来。由于

辐射能通常是以波长来衡量，所以电子填入特定原子内放射出的

辐射线的波长会表示此电子受原子束缚力量的大小，辐射能随波

长减少而增加：能量愈高，波长愈短。

现在我们来讲一讲莫塞莱的发现，即金属（指较重元素）产生

X射线，而每一种

X射线又各有它们自己的特定的特征波长并很

有规律地随周期表的上升而减小。每个后继的元素似乎都把电子

束缚得比前一个紧——换句话说，每个后继元素其内部具有较高

的正电荷。

假定每单位正电荷与电子上的负电荷相当，由此得出每个后

继元素的原子一定比前者多一个电子。描述周期表的最简单方式

是定第一个元素氢具有

1个单位的正电荷和

1个电子；第二个

第六章 元 素

第六章 元 素

元素氦有

2个正电荷及

2个电子；第三个元素锂有

3个正电荷及

3个电子。依此类推一直到铀，它有

92个正电荷及

92个电子。

这样一来，元素的原子序数原来是在它们的完整原子中的电子数

目。

这是一个更重要的线索，使原子科学家解决了周期表中的周

期性问题。进一步研究表明，给定元素的电子辐射不一定限于单

一的波长；它可能放射二、三、四或更多个不同波长的辐射。这些

辐射称为

K系、L系、M系等等。科学家们推断出电子排列在围

绕带正电的原子核的壳层里。最内层的电子束缚得最紧，移走它

们需要最多的能量。电子落到此层会放出最高能量辐射，即最短

波长或

K系。次最内层的电子产生引起

L系的辐射；下一层产生

M系等等。因此这些壳层也被称为

K层、L层、M层等等。

在

1925年，奥地利物理学家泡利提出他的不相容原理，它正

好解释电子怎样分布在每个壳层内。根据这个原理，没有两个电

子具有完全相同值的量子数。由于这项工作，泡利在

1945年获得

了诺贝尔物理学奖。

稀有或惰性气体

1916年，美国化学家路易斯根据壳层的结构，找出了一些较

简单元素的性质和化学行为的类似关系。首先有充分证据说明，

根据泡利不相容原理，最内层的电子被限定为

2个，氢只有

1个电

子，因此其壳层尚未填满。原子的倾向是填满该

K层，它可以若

干方式这样做。例如，两个氢原子可以共享它们的单一电子和共

用两个电子相互填满它们的

K层。因此，氢几乎总是以一对原子

的形式——氢分子存在。要把氢分子分解成原子态的氢，需要很

多能量。通用电子公司的朗缪尔独立地找出了包括电子和化学行

为的相似型式，并表现出氢原子强烈地倾向于维持它的电子层填

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满的实际证明。他让氢通过电弧使氢分子中的原子分开而做成了

原子氢火炬；当氢原子通过电弧再结合时，会放出分开成原子态时

所吸收的能量，这样会产生高达

3 400℃的高温。

在第二个元素氦中，其

K壳层已由两个电子填满；因此，氦原

子是稳定的并不与其他的原子结合。对第三号元素锂，我们发现

它的

2个电子填充

K壳层，第三个电子开始

L壳层。而后继的元

素把电子一个接一个地填入此层：铍在

L层有

2个电子、硼有

3

个。碳

4个、氮

5个、氧

6个、氟

7个、氖

8个。正如泡利所证明的，

L层的极限是

8个；因此氖和氦对应，它们最外层电子刚好填满。

的确它的性质像氦，也是一种惰性气体。

每个外层未填满的原子有与其他原子结合的倾向，以这种方

式丢失电子以具有填满的外层。例如，锂原子容易失去

1个

L层

电子，以致它的外层是填满的

K层，而氟倾向于抓住

1个电子和

它的

7个电子合起来完成

L层。因此锂和氟互相有亲和力；在它

们结合时，锂把

L层电子供给氟以填满氟的

L层。由于原子内部

的正电荷不改变，减去一个电子的锂现在带一个净的正电荷，而氟

附加一个电子带一个净的负电荷。

反电荷互相吸引，使得这两个离子紧密地结合在一起，此化合

物被称为氟化钾（见图

6-1）。

L层电子可以共用和转移。例如，两个氟原子中的每一个都

可与另外一个原子共用它们的

1个电子，以致每个原子的

L层包

括共用电子在内都共有

8个电子。同样，两个氧原子合用

4个电

子以填满

L层；两个氮原子可共用

6个电子。因此氟、氧和氮都

形成双原子分子。

碳原子的

L层里只有

4个电子，和不同的氢原子共用每一个

电子，因此把

4个氢原子的

K层填满，并由共用它们的电子依次

填满碳自己的

L层。这种稳定的排列是甲烷分子

CH4。

第六章 元 素

第六章 元 素

图 6-1电子的转移和共用。在结合成氟化锂时，锂把外层电子转移给

氟，于是每个原子都有填满的外层。氟分子中，两个电子被共用，填满了

的两个氟原子的外层

同样， 1个氮原子会和 3个氢原子共用电子生成氨：1个氧原

子和 2个氢原子共用电子生成水；而 1个碳原子和 2个氧原子共

用电子生成二氧化碳，等等。由周期表前面部分的元素所生成的

化合物几乎都可以根据丢掉电子、接受电子或共用电子等方式填

满最外层的倾向来说明。

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在氖之后的元素钠有

11个电子，第

11个电子必须开始第

3

层。后面的镁在

M层有

2个电子，铝有

3个，硅有

4个，磷有

5

个，硫有

6个，氯

7个，氩

8个。

现在这一族的每个元素都与前一列的每个元素相对应。在

M层内有

8个电子的氩的性质像氖（在

L层有

8个电子）并且是

个惰性气体。氯在它的外层有

7个电子，化学性质类似氟。同样

地，硅类似碳，钠类似锂，等等。

这种情形贯穿了整个周期表。例如，由于每个元素的化学行

为都取决于它最外层的电子构型，因而所有在外层有一个电子的

元素化学反应极为相像，因此周期表第一行的所有元素——锂、

钠、钾、铷、艳，甚至放射性元素钫——它们的化学性质非常相似。

锂

L层有

1个电子，钠在

M层有

1个、钾在

N层有

1个、铷在

O

层有

1个。铯在

P层有

1个和钫在

Q层有

1个电子。此外，有关

的外层有

7个电子的所有元素——氟、氯、溴、碘和砹——相互相

似。对周期表的最后一行也同样正确，其封闭壳层包括氦、氖、氩、

氪、氙、氡。

路易斯-朗缪尔的概念如此美好，以至于即使以它的原始形式

仍适用于解释元素间较简易而直接的不同行为。但是，并非所有

的行为都如想象的那么简单和直接。

例如，每个惰性气体——氦、氖、氩、氪、氙和氡——最外层都

有

8个电子（除氦在它的壳层有

2个电子外），这是最稳定的可能

情况。这些元素的原子得到或丢掉电子的倾向最小，参加化学反

应的倾向也最小，像它们的名字表明的一样，这些气体都是惰性

的。

然而“最小倾向”不是真的“没有倾向”，但是大部分的科学家

忽略了这个事实，因而认为惰性气体根本不能在形成化合物中起

作用。这对它们全体都不是真的。早在

1932年，美国化学家泡令

第六章 元 素

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已考虑到从不同的元素除去电子的情况，并注意到所有的元素都

不例外，即使是惰性气体也可能被夺去电子。但是移去惰性气体

的电子所需耗费的能量要比周期表中靠近它们的元素高。

在任何一族元素之间移去电子所需要的能量都随原子量的增

加而减少，因此，对最重的惰性气体氙和氡，没有显著地高要求。

例如，从氙除去

1个电子并不比从氧原子移去困难。

泡令因此预言，比较重的惰性气体也许能与具有特别倾向于

接受电子的元素形成化合物。最渴望接受电子的元素是氟，因此

氟似乎是天然的对象。

最重的惰性气体氡是放射性的，只能微量使用。然而，次重的

氙既稳定在大气层内又有少量存在，因此，最佳的机会是设法在氙

和氟之间形成化合物。但是，

30年来这方面始终毫无进展，主要

是因为氙很贵，而氟又很难处理，化学家们觉得做其他研究比追逐

这种捉摸不定的东西要实际得多。

然而在

1962年，英国血统的加拿大化学家巴特勒特研究一种

新的化合物：六氟化铂（

PtF6），发现这个化合物非常渴望得到电

子，几乎与氟本身一样。此化合物会夺走氧的电子，但氧在正常情

况下却是一种渴望得到电子而不是丢掉电子的元素。如果六氟化

铂可以从氧带走电子，它也应该可能从氙带走电子，因此试着做了

此项实验，发现了氟铂酸氙（XePtF6）这个化合物，它是被发现的第

一个惰性气体的化合物。

另外一些化学家立刻投入此项竞赛中，并生成许多与氟、氧或

是两者的氙化合物，其中最稳定的是一氟化氙（

XeF2）。另外还生

成了氪和氟的化合物，四氟化氪（

KrF4）和氟化氡。也与氧生成化

合物，例如有四氟氧化氙（

XeOF4）、氙酸（H2XeO4）和高氙酸钠

（Na4XeO4）等，最值得注意的也许是易于爆炸的和有危险的三氧化

二氙（Xe2O3）。较小的惰性气体——氩、氖和氦，比较大的惰性

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气体更抗拒共用它们的电子，对所有的化学家仍保持其惰性。

化学家很快从发现惰性气体可以形成化合物的震惊中恢复过

来：毕竟这种化合物也适于一般的状况。因此，目前人们已不大

愿意把这些气体说成惰性气体，而喜欢代之以稀有气体的名字，而

且说稀有气体化合物和稀有气体化学。

稀土族元素

路易斯-朗缪尔的概念不仅不适用于惰性气体，而且几乎完全

不能用于原子序数大于

20的多数元素，特别是涉及周期表中令人

为难的方面，包括第

57～71号在内的所谓稀土元素时，就不得不

加以改进了。

回顾一下过去，早期的化学家把不溶于水和受热不改变的任

何物质都看作土（古希腊人遗留的观点，将“土”看作一种元素）。

这种物质包括今天我们所说的氧化钙、氧化镁、二氧化硅、氧化铁、

氧化铝等——事实上这些化合物大约构成了地壳的

90%。氧化

钙和氧化镁是微溶的，在溶液里呈碱性（即与那些酸相反），被称为

碱土族，当戴维从这些土中分离出金属钙和镁时，它们就被称为碱

土金属，最后，周期表中与镁和钙一行的元素，即铍、锶、钡和镭，均

叫做碱土金属。

1794年，芬兰化学家加多林研究了在瑞典的一座小村庄（于

特比）附近找到的奇特岩石，并认定它是一种新的“土”，加多林称

该“稀土”为镱。后来德国化学家克拉普罗特发现镱可以分成两种

“土”，其中一种他沿用了原名镱，另一种则命名为铈（是根据新发

现的小行星“谷神星”命名的）。但是瑞典化学家莫桑德尔后来又

把它们分成一系列不同的“土”。最后证实这些“土”全都是被称为

稀土金属的新元素的氧化物。到

1907年，已有

14种元素被鉴定。

按原子量增加的次序，它们为：镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、

第六章 元 素

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钬、铒、铥、镱、镥。

根据它们的 X射线性质，把这些元素的原子序数定为从 57（镧）到 71（镥）。如前面所提到的，在 61号处有一空位直到从铀

的裂变物中发现钷为止。它在表中占第 15位。

现在稀土元素麻烦的问题在于，它们显然不能刚好填入周期

表内。幸好在门捷列夫提出周期表时，这类元素只有 4个被确切

知道；假如当时所有的这些元素都已被发现的话，那么整个表将会

混乱得难以令人接受了。有时候，即使是在科学领域里，无知也是

福。

第一个稀土金属镧，和钇很相称，它的原子序数为 39，在周期

表内位于镧之上（图 6－2。虽然钇与稀土族元素是在同样的矿中

图 6-2镧的电子壳层。注意 N层的第四亚层已经跳过并未占用

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发现的，性质也与稀土金属相似，但它不是稀土金属）。稀土元素

造成的混乱是在镧之后即铈才开始的，它应该和钇后面的元素即

锆相像，但一点也不像；相反而是再次与钇相似。稀土族的

15个

元素都是这样，性质都很像钇且彼此相似（事实上它们化学性质如

此相似，以致早期除了用最冗长的步骤外，便无法把它们分开），但

是它们与表内它们前面的任何一个元素都没有关系。我们必须跳

过整个稀土族接到

72号元素铪，才能找到和钇后面的元素锆相关

联的元素。

由于这种情况，化学家们只好把所有稀土元素聚集在钇正下

方的一个框中，并单独地排列在周期表的脚注里。

过渡元素

人们对路易斯-朗缪尔关于元素电子壳层结构的概念加入一

些细节后，才找出了这个难题的答案。

1921年，布里提出壳层未必局限于

8个电子。虽然

8个总是足

够满足外层，但当该层不在外面时，可以具有比较大的容量。当一

个壳层的外面又形成了另一层时，内层可吸收更多的电子，而每个

后继壳层也可以比前一个容纳更多的电子。因此

K层的总容量为

2个电子，

L层为

8个，M层

18个，N层

32个，等等——增加的数目

按顺序层数的平方乘以

2（即

2

×1、2×4、2×9、2×16等等）。

详细研究元素的光谱支持了这种观点。丹麦物理学家玻尔指

出，每个电子层都是由能级略微不同的亚层组成的。在每个后继

的壳层里，亚层的向外扩展比较大，因此壳层间会互相重叠。结

果，内层（比方说

M层）的最外亚层，实际上可以说，可能比下一层

（比方说

N层）的最内亚层离中心更远。既然如此，可能

N层的较

内层已填满电子，而

M层的较外层还是空的。

第六章 元 素

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一个例子会把这一点弄清楚。根据这个理论，

M层划分成三

个亚层，它们的容量分别是

2、6和

10个电子，共

18个电子。在

M

层具有

8个电子的氩，已填满电子的只有里面的两个亚层。事实

上，M层的第三亚层或最外层，在元素增添的过程中不会得到下

一个电子，因为它位于

N层的最内亚层之外。就是说，氩之后的

钾，其第

19个电子并不是进入

M层的最外亚层，而是进入

N层的

最内亚层。钾在

N层有

1个电子，像

M层有

1个电子的钠。下一

个元素钙（

20），在

N层有

2个电子，像

M层有

2个电子的镁。但

现在

N层仅有

2个电子位置的最内亚层已经满了，再加入另一个

电子可以开始填充

M层的最外亚层，而此层到目前为止却尚未接

触过。钪

(21）开始该过程，而锌（

30）完成它。在锌里，

M层的最

外亚层终于达到它的

10个电子的补充。锌的

30个电子分布如

下：2个在

K层、8个在

L层、18个在

M层、2个在

N层，此时，电

子可以再继续填入

N层。下一个电子使

N层有

3个电子并形成

镓（31），它像

M层有

3个电子的铝。

在填充那个曾被暂时跳过的亚层的过程中所形成的

21～30

号元素为过渡元素。注意钙的性质像镁，镓的性质像铝。而镁和

铝是周期表内相近的元素（第

12号和

13号）。但钙（

20）和镓（

31）

却不是。它们之间有过渡元素存在，这导致周期表的复杂性。

N层比

M层大，划分成

4个亚层而不是

3个：它们分别可容

纳入

2、6、10及

14个电子。36号元素氪填充

N层的

2个最内亚层，

但这里有重叠的

O层的最内亚层介入，因此，在电子进入

N层外

的

2个亚层前，它们要先填充

O层的最内亚层。氪之后的元素铷

（37号）在

O层有它的第

37个电子，锶（

38号）完成

O亚层

2个电

子的填充，因此，一个新系列的过渡元素陆续填入

N层跳开的第

三亚层，到镉（

48号）完成。而后电子跳开

N的第四亚层，填入

O

的第二最内亚层，以氙（54号）结束。

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但是甚至现在 N的第四亚层都必须等待它的轮到；因为在这

个阶段，重叠得太厉害，甚至连 P层也插入一个亚层，而在 N的最

后亚层填满以前，一定要先填这个 P的亚层。氙之后的元素铯

（55号）和钡（ 56号）在 P层各有 1个电子及 2个电子。N层仍未

轮到，第 57个电子出人意料地进入 O层的第三亚层，产生元素镧

（图 6－3）。此时，一个电子好容易才进入 N层的最外亚层。稀土

元素挨个地把电子加到 N层直到 71号元素镥，才最后填满它。

镥的电子是这样排列的：2个在 K层，8个在 L层，18个在 M层，

32个在 N层，9个在 O层（2个亚层填满，加上 1个电子在次亚

层）和 2个在 P层（最内亚层填满）。

图 6-3镧的电子层和亚层重叠示意图。 N层的最外亚层尚需填充

第六章 元 素

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现在我们终于开始看到为什么稀土元素和一些其他过渡元素

的族如此相似。就化学性质来说，决定元素差异的是它们最外层

的电子构型。例如，碳在它的最外层有

4个电子；氮有

5个，在性

质上它们完全不同。另一方面，电子忙于填入内亚层而最外层却

保持不变的一列元素，其性质改变不大。如铁、钴和镍（26、27和

28号元素），它们全都有相同的外层电子构型——一个

N亚层被

两个电子填充，化学行为极为相似。它们内部电子的差异（在

M

亚层）在很大程度上被它们的表面相似盖住。至于稀土族元素，这

点更加突出。它们的差异（在

N层）不是埋在一个而是埋在两个

外层电子构型（在

O层和

P层）之下，在所有这些元素中都是相同

的。因此，这些元素化学上像豆荚内的豆子一样相似便不足为奇

了。

因为稀土金属用途很少而且很难分离，因此化学家们没花多

少功夫这样做——直到铀原子被裂变为止。后来，分离这些稀土

金属变成紧急的事，因为在裂变的主要产物中含有这些元素中的

某些放射性的品种，而在原子弹设计中，必须迅速而清晰地把它们

分离开并加以鉴定。

由于采用了

1906年俄国植物学家茨维特首先设计的化学方

法，称为色谱分析法，使这个问题得到了迅速解决。茨维特发现，用

溶剂把化学性质相似的植物染料

①从装有粉末状石灰的长管中冲

洗下来，可以将它们分离。他把植物染料的混合物溶在石油醚中并

倒在石灰上，然后以纯净的溶剂不断地淋。当染料慢慢地通过石灰

粉末冲洗下来时，每种染料以不同速度移下，因为附着于粉末上的

强度各不相同，结果它们分成了一系列不同颜色的色带。继续冲

①原文为颜料。——译注

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洗，分离物质在柱底一个接着一个分开淋下。

许多年来科学界忽视了茨维特的发现，也许是因为他只是个

植物学家又是个俄国人，而当时关于难分离物质的研究的领导者

都是德国的生物化学家。但在

1931年，德国的生物化学家威尔施

泰特重新发现了这种方法，从此才进入一般使用（威尔施泰特因为

在植物染料方面的优异研究，得到了

1915年的诺贝尔化学奖。而

据我所知，茨维特却没有得到荣誉）。

发现经过粉末柱的色谱几乎对一切种类的混合物——无色的

以及有色的——都见效。氧化铝和淀粉被证实用来分离一般分子

比石灰好。分离离子的过程叫做离子交换；一种名为沸石的化合物

是第一个用来完成此目的的有效试剂。例如，人们把水倒入沸石长

柱，可以从硬水里除去钙离子和镁离子。钙离子和镁离子附着于沸

石上，被溶液里原先存在于沸石上的钠离子取代，因此软水就从长

柱的底部滴出来。沸石的钠离子必须由注入高浓度的食盐溶液不

断地补充。1935年，随着离子交换树脂的发展又有了改进，这些合

成物质可以根据所要完成的工作来设计，例如，某些树脂可用氢离

子取代正电离子，而另一些树脂则可用氢氧离子取代负离子；合并

这两类树脂可除去海水中的大部分盐。装有这种树脂的工具包在

第二次世界大战期间是救生筏上急救设备的一部分。

美国化学家斯佩丁采用离子交换色谱来分离稀土。他发现这

些元素以原子序数相反的次序流出离子交换柱，因此它们不仅被

快速地分离而且也被鉴定。事实上，遗漏的

61号元素钷就是从裂

变产物的微小含量中以这种方法证实的。

由于色谱法，我们今天才可能成公斤甚至成吨地制备纯稀土。

原来稀土井不是特别稀少的，它们之中最稀少的（除钷以外）比金

或银还要多，而最丰富的——镧、铈和钕——比铅丰富。所有稀土

金属占地壳的百分比例比铜和锡合起来还多，所以科学家巧妙地

第六章 元 素

第六章 元 素

丢开稀土这个名称而改称这一系列的元素为镧系，根据领头元素

来命名。的确，各个镧系元素在过去用得并不多，但是现在分离的

技术已使它们的用途增多，到

20世纪

70年代，一年用掉

1 100

万公斤（约

2 500万磅）。铈-镧合金是一种主要含有铈、镧、钕的

混合物，占香烟打火机火石重量的

3/4。氧化物的混合物用于抛

光玻璃，不同的氧化物加入玻璃来制造某些希望的性质。某些铕

和钇氧化物的混合物在彩色电视里当作红敏的磷光体等等。

锕系元素

对镧系的深入了解所取得的成就并不局限于镧系的实际应

用。这方面的新知识也提供了打开了解周期表末端一些元素（包

括那些合成的元素）化学性质大门的钥匙。

上面所说的一系列重元素以

89号锕开始。在周期表中锕放

在镧的下方。锕在

O层有

2个电子，正如镧在

P层有

2个电子一

样。锕的第

89个即最后一个电子填入

P层，正如镧的第

57个即

最后一个电子填入

O层一样。现在问题是：锕之后的元素是否继

续把电子加入

P层，因而依然是一般的过渡元素？或者，它们按

照镧后元素的模式偶尔把电子填入跳开的亚壳层呢？若为后者，

那么锕可能开始一个新的稀土金属系列。根据第一个元素，称它

们为锕系元素。

在锕系元素中，天然元素有锕、钍、镤和铀。在

1940年以前对

它们没有做过多少研究。关于它们的化学性质所知甚少，曾假定

它们是普通的过渡元素。但是当人造元素镎和钚加到表中，并经

深入研究，这两种元素显示出化学性质与铀非常相似。因此西博

格提出，重元素实际上是按照镧系元素的模式填入受遮盖未填满

的

O层的第四亚层。到铹时亚层已填满，因而有

15个锕系元素，

与

15个镧系元素完全相似。其中一个重要的证明就是，离子交换

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色谱可以用分离镧系元素的同样方式分开锕系。

另外，104号元素钅卢及

105号元素钅罕是超锕系元素系列的元

素，化学家们确信，它们位于铪和钽的下方，铪和钽两元素在镧系

元素之后。

气 体

从化学一出现开始，人们就认识到，许多物质能够随着温度的

变化以气态、液态或固态的形态存在。最常见的例子是水：充分

冷却，可以变成固态的冰；充分加热，又可以变成气态的水蒸气。

范黑尔蒙特首先使用气体这个词。他把常温下的气体，如二氧化

碳，与只有升高温度才能形成的气体（如蒸气）区别开来。现今，我

们仍然说水蒸气。而不说水气。

对于气体或蒸气的研究继续吸引着化学家们，部分原因是它

们本身适于定量的研究，而支配气体行为的规则也比支配液体和

固体的规则简单，且更容易求出。

液化

1787年，法国物理学家查理发现当气体被冷却时，每冷却

1

度，使体积约缩小为

0℃时的

1/273；相反，每增加

1度，同样引起

体积膨胀

1/273。加热产生膨胀的现象并不会产生逻辑上的困

扰，但是如果随冷却收缩继续，根据查理定律（作为今天的称呼），

则在－273℃时，气体将会收缩到什么也没有了。这一矛盾并未特

别使化学家困惑，他们相信查理定律并非在任何状况下都能成立。

因为随着温度的下降，气体便凝结成液体，但是液体并不会像气体

一样随温度下降而缩小体积。而且，化学家们也没有任何方法得

到最低温度以观察实际上发生什么情况。

第六章 元 素

第六章 元 素

原子理论由把气体描述为分子的聚集发展为用新术语来表达

这一情况。体积现在被看作取决于分子的粘度。温度愈高，分子

移动愈快，它们就需要更多的“活动空间”和更大的体积。相反，温

度愈低，分子移动愈慢，需要的活动空间和体积就愈小。

19世纪

60年代，刚被晋升为开尔文勋爵的英国物理学家

W.汤姆孙指出，

气体分子所含平均能量每冷却

1度衰减

1/273。其体积不能如预

期般地完全消失，能量却可以。

W.汤姆孙主张在－273℃时，分

子能量会减少至

0。因此－273℃必定代表最低可能的温度。于

是该温度（根据现代测量现在定在－273.16℃）称为绝对零度，也

经常称为开氏零度。在该绝对温度上，冰的熔点为

273K（见图

6

-4华氏、摄氏和开氏温标）。

这一见解使人们更加确信，当接近绝对零度时，气体将会全部

液化。由于可用的能量更少，气体分子需要很小的活动空间，以致

互相压缩而接触。换言之，它们变成了液体。因为假设液体是由

接触的分子组成的就可以解释液体的性质，但这些分子还有足够

的能量移动和自由地滑下或互相超越。因此，液体能够倾注并能

够容易地改变形状以适应特定的容器。

随着温度的下降，液体的能量继续减少。最后因分子所具有

的能量大小，使相互无法超越，而占有某一固定的位置，在其周围

只能振动不能移动。换言之，液体已经被冻结成固体了。当接近

绝对零度时，所有气体不仅液化，而且冻结。这个论点似乎比开尔

文的清楚。

自然在化学家们中，有人想以降低温度使所有气体先液化再

凝固，再达到实际上的绝对零度，以此来证明开尔文建议的精确

性。甚至在开尔文确定最终目标之前，科学家们就曾探讨过冷却

的极限。法拉第发现，即使在常温下，某些气体仍可在压力下液

化。他用坚固的玻璃管变成类似飞旋镖的形状，在封住的底端放

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图 6-4华氏、摄氏和开氏温标的比较

置可产生气体的物质，然后封住开口端，将放置固体物质的那端浸

入热水中，这样释放的气体量越来越大；因为气体被限制在管子

中，其压力越来越增大，法拉第将管子的另一端保持在装满碎冰的

烧杯中，该端气体受到高压和低温而被液化。 1823年，法拉第用

此方法将氯气液化。氯气的正常液化点为－34.5℃（绝对温度为

第六章 元 素

第六章 元 素

238.7度）。

1835年，法国化学家狄劳里雅利用法拉第的方法。在压力下

制成液态二氧化碳。他使用金属圆筒，因为金属圆筒比玻璃管能

承受更大的压力。当他制备的液态二氧化碳达一定量时，就让它

经狭窄的管子流出。

当然在这种情况下，液态二氧化碳就暴露于常温下，会很快地

蒸发。当液体蒸发时，其分子会受拉，离开环绕着它的分子，而变

成单一的个体，自由地到处移动。在液体分子中有吸引力，反抗吸

引力自由拉开需要能量。如果蒸发迅速，没有时间使足够的能量

（以热的形式）进入体系，那么惟一供给蒸发的能量是液体本身。

所以液体快速蒸发时，残留液体的温度会下降。

这一现象我们都曾体验过，因为人体一直在温和地排汗，蒸发

我们皮肤上那层薄薄的汗从皮肤排出热量，而保持我们凉爽。天

气变热，我们一定出汗更多；但是若空气潮湿，难以蒸发，汗水就会

堆积在我们身上，我们的确感到不舒服。运动使我们体内放热反

应增加，也增加排汗，在潮湿的条件下也感到不舒服。

当狄劳里雅（再来谈他的实验）让二氧化碳蒸发时，液体的温

度会随着蒸发的过程而下降，一直到二氧化碳冻结为止。这是第

一次形成固态二氧化碳。

液态二氧化碳仅在压力下稳定，固态二氧化碳暴露在常压下

会升华——不经熔化直接挥发成气体。固态二氧化碳的升华点为

－78.5℃（194.7K）。

固态二氧化碳有云状冰的外观（尽管它很冷）；由于它不形成

液体，它被称为干冰。每年大约有

40万吨的干冰被制造出来，其

中大部分都用于经过冷冻保存食物。

利用挥发冷却使人类的生活发生了巨大变化。在

19世纪以

前，冰（当可以得到时）用于保存食物。冬天，经过绝热，将冰储藏

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起来，保存至夏天；或从山上将冰搬运下来。这是一个繁重而困难

的过程，而大多数人不得不熬受夏天的炎热（或者整年的热）。

早在

1755年，苏格兰化学家卡伦将大量水的上面抽成真空，

强迫迅速蒸发，把水冷至冰点制成冰。然而这种方法制成的冰无

法与自然形成的冰相比。因为冰形成后会阻塞管子，所以这种过

程也不可能简单地来间接地冷却食物。

现今，一种适当的气体由压缩机使它在室温实现液化。然后

让这种液体循环于环绕着储食容器的螺旋管中。当液体挥发时，

会从容器抽出热量，排出的气体由压缩机再液化、冷却，再一次循

环。该过程连续地把封闭室的热排到外面的大气中。结果这种电

冰箱代替了老式的冰箱。

1934年，美国发明家珀金斯（在英国）取得了用乙醚作为冷冻

剂的专利权。其他的气体如氨和二氧化硫也开始使用，所有这些

冷冻剂皆具有毒性或易燃的缺点。但是在

1930年，美国化学家米

奇利发现了二氯二氟甲烷（

CF2Cl2），商品名为氟里昂，无毒（米奇

利曾当众将其吸入肺部证明），而且不易燃，完全适合所需。使用

氟里昂，家庭电冰箱变得普遍和平常了。

（虽然氟里昂和其他氟碳化合物一直被证实完全对人类无害，

但是到了

20世纪

70年代产生了关于它们对臭氧发生不良影响的

怀疑，如前章所述。）

大体积的适度致冷就是通常所说的空气调节，因为空气也经

过调节——过滤和干燥。第一套实用的空气调节器是

1902年由

美国发明家卡里尔设计出来的。自从第二次世界大战以来，空气

调节器在美国各大城市，几乎已经成为一种很普遍的电器用品了。

再回头看看狄劳里雅的实验，他把固态二氧化碳加入所谓二乙醚

（今天非常有名的一种麻醉剂，见第十一章）中。二乙醚低沸点，能

迅速挥发。在它和低温的固态二氧化碳之间，固态二氧化碳升华

第六章 元 素

第六章 元 素

后，可以达到－110℃（163.2K）。

1845年，法拉第恢复研究液化气体的工作，在低温和高压的

结合效应下，使用固态二氧化碳和二乙醚作为冷却混合物。尽管

使用此种混合物而且使用的压力比以前高，仍有

6种气体不能被

液化，它们是氢、氧、氮、一氧化碳、氧化氮和甲烷；他称这些为永久

气体。对这一列举，我们可以再加

5种法拉第当时并不知道的气

体。其中一种是氟，另外

4种为稀有气体：氦、氖、氩、氪。

但是在

1869年，爱尔兰物理学家安德鲁斯从他的实验推出，

每种气体都有一个临界温度，高于此温度，即使在压力下也不能液

化。这一假设后来被荷兰物理学家范德瓦耳斯放在牢固的理论基

础上，因此赢得了

1910年的诺贝尔物理学奖。

因此，要液化任何一种气体，一定得在它的临界值以下进行工

作，否则只会白费力气。为了征服那些难液化的气体，人们不断地

努力研究，以期达到更低的温度。一种分级的方法——一步步降

低温度——获得了成功。首先经挥发冷却的液态二氧化硫，用来

液化二氧化碳；然后再用液态二氧化碳来液化较难液化的气体等

等。1877年，瑞士物理学家皮克蒂终于在－140℃（133K）和

500

个大气压下使氧液化了。大约在同时，法国物理学家凯泰，不仅液

化了氧，而且也液化了氮和一氧化碳。当然使这些液体继续下去

可能立刻达到更低的温度。最后发现氧在正常空气压力下液化点

是－183℃（90K）；一氧化碳是－190℃（83K）；氮是－195℃

（78K）。

1895年，英国化学工程师汉普森和德国物理学家

K. 林德独

立地设计了一种大规模液化空气的方法。首先将空气压缩，并冷

却至常温。再让它膨胀，在此过程中，气体会变得很冷。该冷空气

用作装有压缩空气容器的气浴，直到容器中的气体也变得相当冷，

然后让压缩空气膨胀，使空气变得更冷，重复这一过程，空气变得

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愈来愈冷，直到液化为止。

液态空气量多而且便宜，容易分成液态氧和液态氮。氧可用

于熔接用的小型吹管装置和医药的用途，氮在惰性情况下是有用

的。这样，用氮充满白炽灯泡，在金属缓慢发挥损坏它们前，该灯

丝比那些真空灯泡中的相同灯丝保持白炽的时间要长。液态空气

也可作为较少组分例如氩和其他稀有气体的来源。

直到

1900年为止，氢在液化上抗住了所有努力。苏格兰的一

位化学家杜瓦使用了一种新方法才完成了此事。开尔文勋爵（

W.

汤姆孙）和英国物理学家焦耳曾经指出，只要开始时的温度足够

低，即使在气体状态，简单地让气体膨胀并阻止热传给从外面进来

的气体，一种气体也能被冷却。因此杜瓦用液体氮环绕着容器，将

压缩的氢气冷至－200℃，再让此超冷的氢膨胀，进一步冷却。然

后将此氢经过管子导回容器，一而再地重复这个循环。压缩氢受

到焦尔-汤姆孙效应，终于在大约－240℃（33K）变成液体。在更

低的温度下，杜瓦设法得到了固态氢。

他发明了特殊的镀银玻璃来保存他的超冷的液体，此玻璃瓶

有两层壁，中间为真空。热量的散失（或得到）仅能经过真空，以较

缓慢的辐射过程来进行。而银镀层会将辐射反射进来（就此而言，

或反射出去）。这种杜瓦瓶就是现在家庭热水瓶的前身。

火箭燃料

随着火箭时代的来临，液化气体的位置一下就提升到新的吸

引人的高度。火箭需要极端快速的化学反应来产生巨大的能量，

最方便的燃料形式就是液态的易燃混合物，例如酒精或煤油和液

态氧。氧或某种可取代氧的氧化剂，必须在任何情况下皆能被火

箭携带，因为当火箭一离开大气层时，就再也得不到天然氧气的供

给了。而且携带的氧必须是液态，这是因为液态比气态密度大，而

第六章 元 素

第六章 元 素

且液态氧压入燃料槽的量比气态的多。于是液态氧已成为火箭上

十分重要的东西。

燃料和氧化剂混合物的效率由比冲量来量度。比冲量就是火

箭发动机的推力（公斤力）与其喷出质点每秒重量流量（公斤

/秒）

的比值。对于煤油和氧的混合物，其比冲量等于

242。因为火箭

可携带的有效负载取决于比冲量，所以人们渴望寻找最佳燃料组

成。从这一观点看，最佳液态燃料是液态氢。与液态氧混合，它可

以产生大约等于

350的比冲量。如果液态臭氧或液态氟用以代替

氧，那么比冲量可提高到大约

370。

某些轻金属，例如锂、硼、镁、铝，尤其是铍，它们与氧结合，可

释放出比氢更多的能量。但是，其中一些金属是稀少的，并在燃烧

时都包含有技术的困难——冒烟、氧化物沉积等等。

还有起自身氧化剂作用的固态燃料（像火药是第一种火箭推

进燃料，但更加有效）。因为它们不需要分开供应氧化剂，而仅需

要由一种推进燃料来组成，这种燃料称为单推进燃料。还需要氧

化剂的燃料是双推进燃料。单推进燃料容易储存与掌握，燃烧快

速但可控制。主要困难可能在于如何发展单推进燃料，使其比冲

量接近双推进燃料。

另一种可能就是使用朗缪尔在他的喷灯中用过的原子氢；已

经计算出氢原子再结合成分子所放出的能量，可使火箭发动机产

生超过

1 300的比冲量。主要的问题是如何储存原子氢，到目前

最有可能的希望似乎是在氢的自由原子形成之后，马上给予极快

速、极彻底的冷却。美国国家标准局的研究似乎指出，如果在极低

温度下，把自由氢原子俘获在固态物质——比方冻结的氧或氩中，

那样最好保存。比方说，如果我们一推按钮，就能让冻结的气体开

始变热而蒸发，那么氢原子会释放出来重新结合。即使这类固体

所能囚锢的自由氢原子仅占其重量的

10%，这种燃料也将比现在

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我们所有的任何一种燃料都好。但是，温度当然必须确实很

低——远比液态氢的温度低。这些固体需要保持在-272℃左右，

仅仅比绝对零度高

1度。

在另一方面，完全存在着驱动离子向后的可能性（而不是燃烧

燃料的排出气体）。微小质量的单个离子将产生极小的冲量，但可

持续很长时期。借助化学燃料的强烈而短寿命的力先将飞船送入

轨道，然后在实质上并无摩擦力的空间介质中，飞船在离子长时期

冲击的推动下。缓慢加速到近于光速的速度。研究这种离子驱动

最好的物质是铯，它很容易失掉电子而形成铯离子。于是可以设

置一个电场来加速铯离子并射出火箭喷口。

超导体和超流体

再回到低温界。甚至氢的液化和固化也不代表最后的胜利。

到氢产生时，惰气已经发现，其中最轻的氦，在可达到的最低温度

仍然顽固地坚持不液化。直到

1908年，荷兰物理学家昂内斯终于

征服了氦。他把杜瓦方法推进了一步，利用液态氢在压力下将氦

冷却至－255℃（18K），然后让氦膨胀来进一步冷却它自身。借助

此法，他液化了氦。然后再让液态氦蒸发，温度更为下降，在常压

下可液化氦（

4.2K）。这个温度可使所有其他物质都是固体。他

甚至将温度降至绝对温度

0.7K。昂内斯由于这项低温的研究而

得到了

1913年的诺贝尔物理学奖。（现在，氦的液化已是简单的

事了。1947年，美国化学家柯林斯发明了低温恒温器，通过交替

的压缩、扩散，1小时内即可制造

2加仑的液态氦。）

然而，昂内斯不只是达到了新的温度深度，他还第一个指出那

种低温状态下物质所存在的一些奇特性质，其中之一就是超导性。

在

1911年，昂内斯在低温下试验汞的电阻，预期对电流的阻力会

平稳地减小，因为去掉热会使金属中原子的正常振动减慢。但是

第六章 元 素

第六章 元 素

在绝对温度

4.12K，汞的电阻却突然完全消失了，电流流过它没有

丧失任何强度。很快地他又发现其他金属也具有超导性。例如铅

在绝对温度

7.22K变成为超导体。在液氦的温度下，几百安培的

电流绕着铅圈流动，这样经过了两年半时间，没有可察觉的减少

量。

当使温度愈来愈低时，更多的金属加入超导名单，锡在绝对温

度

3.7K变成超导；铝在绝对温度

1.2K；铀在绝对温度

0.8K；钛

在绝对温度

0.53K；铪在绝对温度

0.35K。

（目前所知大约有

1400种不同的元素或合金可呈现超导性。

但铁、镍、铜、金、钠和钾必定有更低的转变点——如果能使它们成

为超导——因为在达到最低温度时它们不曾转换到这种状态。发

现金属元素中锝的转变点最高，它在绝对温度

11.2K下变为超

导体。）

低沸点的液体能够使浸在其中的物质保持在它的沸点温度。

要达到更低的温度，则必须借助更低沸点的液体。液态氢在绝对

温度

20.4K沸腾。只有在寻找至少有这样高的转变点的超导物

质时，它才是最有用的。于是超导性只能在液态氢冷却的系统中

研究；若没有液态氢，只有一种更低沸点的液体——液态氦，更稀

少，更贵，更难掌握，但必须使用。少数合金，特别是那些含有金属

铌的合金，其转变温度比任何一种纯金属都要高。终于在

1968年

发现了铌、铝、锗的合金，它在绝对温度

21K时可保持超导，这使

在液态氢温度下的超导性成为可能——不过勉强刚够。

提及超导性的有效应用，立即会联想到与磁性有关。电流通

过绕线圈的铁心，可以产生强磁场；电流愈大，磁场愈强。可惜，在

通常条件下，电流愈大，所产生的热愈多，因此对可以做的事情有

一限制。然而用超导体线圈，电流通过不产生热量。似乎越来越多

的电流都可以塞入线圈，以产生从未有过的强电磁铁，而所消耗

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的功率却只有正常条件下的一小部分，但是这里仍大有文章。

伴随超导性产生的其他性质包括磁性。在物质变成超导的同

时，它也会变成完全的反磁性，也就是说它会排斥磁力线。这个现

象是德国物理学家迈斯纳在

1933年首先发现的，因此称为迈斯纳

效应。通过制造够强的磁场，即使此时温度远低于它的转变点，还

是会破坏物质的超导性，而超磁性的希望也就随之破灭了。正如

一旦物质周围的磁力线聚集很多时，最终有一些磁力线会穿透物

质，而超导体亦会发生相同现象。

人们已着手寻找承受高磁场的超导物质。例如具有高达绝对

温度

18K的锡-铌合金。它可以承受大约

250 000高斯的磁场，这

个强度确实是高的。在

1954年发现这一事实。但是到

1960年才

研究出制造这种通常脆性合金电线的技术。钒和镓的化合物可以

做得更好，已建成场强达

500 000高斯的超导电磁铁。

在氦中发现了另一种令人吃惊的低温下的现象，称为超流性。

氦是目前人们知道的即使在绝对零度也不能被冻结成固体的

惟一物质，有少量不能减少的内能，甚至在绝对零度，它也不可能

消除（所以实际上该内能是零点能），但却足够使这些极其“不粘”

的氦原子互相保持自由，因此呈现为液体。事实上，德国物理学家

能斯脱在

1905年已指出，在绝对零度下，并非物质的能量变为零，

而是另一相关性质：熵为零。由于这项工作，能斯脱得到了

1920

年的诺贝尔化学奖。然而我并不是说在任何情况下固态氦都不存

在。1926年，固态氦终于在低于绝对温度

IK和大约

25个大气压

下制成了。

1935年

W. H.凯索姆设法完成了氦的固化，而他在昂内斯实

验室工作的姐姐

A. P.凯索姆则发现液态氦低于绝对温度

2.2K

时，几乎完全导热。它导热非常快——事实上，相当于声速——致

使氦的所有部分总是在相同的温度。它不会沸腾——其他一般液

第六章 元 素

第六章 元 素

体因为有局部的热点会形成蒸气泡——因为在液氦中没有局部热

点（如果液体在绝对温度

2K下可以说热点的话）。当液氦蒸发

时，它的顶层平静地逃逸——可以说是一层一层蒸发掉的。

俄国物理学家卡皮察继续研究这个性质，发现氦导热的原因

是它非常容易流动，而且几乎是同时把热量由一部分带到另一部

分，其速度至少是第二最佳热导体铜的

200倍。液氦甚至比气体

还容易流动，粘度仅为氢气的

1/1 000，且可流经气体无法通过的

微小孔隙。另外，该超流液体在玻璃上形成薄膜，并且在其上的流

动速度与它流经孔洞的速度一样快。如果装有这种液体的开口容

器置于所装液体高度较低的大容器中，超流体将越过玻璃边缘而

到达外面的容器，直到液体高度一样为止。

氦是惟一显示出超流现象的物质。事实上，超流体的性质与

高于绝对温度

2.2K的氦本身的性质大不相同，所以另外取了一

个名字叫氦-Ⅱ，以区别于高于绝对温度

2.2K叫做氦-Ⅰ的液氦。

因为只有氦才能允许从事接近绝对零度的研究，所以，它在纯

科学和应用科学中变得非常重要。大气的供给量是可忽略的，最

重要的来源是天然气，由地壳中铀和钍衰变所形成的氦有时会渗

入天然气井。目前所知蕴藏量最富的天然气并在墨西哥，其产生

的气体中有

7.5%为氦。

低温学

由于受到绝对零度附近奇异现象的鼓舞，物理学家们想尽办

法来接近绝对零度，并且扩展它们在今天称为低温学的有关知识。

在特殊情况下，利用液态氮的挥发，可产生绝对温度

0.5K的低

温。（顺便说一下，在这种水平上的温度可以利用一些特殊的有关

电的方法来测量——譬如利用热电偶所生电流的大小，利用某种

非超导体金属所制成电线的电阻大小，利用磁性的改变，甚至可利

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用声音在氦中传递的速度。想要测量极低温比要得到它们还不容

易。）事实上，低于

0.5K的温度利用

1925年荷兰物理学家德拜首

先提出的方法已经测到。把顺磁物质（即能将磁力线集中起来的

物质）几乎紧靠着液态氮，中间隔着氦气，然后把整个系统温度降

到绝对温度大约

1K。再把系统置于磁场中，顺磁物质的分子会平

行排列，并放出热量。这一热量可由周围缓慢蒸发的氦气移去。

这时若把磁场移走，顺磁性分子会马上呈现混乱取向。由有序到

混乱取向过程中，分子必须吸收热量，而这惟一的热源就是液态

氦。因此，液态氦的温度下降。

可以一次又一次地重复该过程，每次都降低液氦温度——此

技术是由美国化学家吉奥克完成的。结果他得到了

1949年诺贝

尔化学奖，

1957年以这种方法达到了绝对温度

0.000 02K。

1962年，德国血统的英国物理学家伦敦和他的合作者提出使

用一种新装置达到更低温度的可能性。氦以两种类型存在：氦-4

及氦-3，平常它们完全混合在一起。但是当温度低于绝对温度

0.8K时，就会分开，氦-3在上层，部分的氦-3与氦-4在底层。

以类似一般冷冻剂例如氟里昂的液体和蒸气互相变换的方式，能

逐步降低温度。利用该原理制成的冷冻装置，于

1965年在苏联首

先被设计出来。

1950年，苏联物理学家波马伦库克提出了利用氦-3其他的

性质深冷的方法；早在

1934年，匈牙利血统的英国物理学家库提

也提出过利用类似吉奥克所利用的磁性，但这种磁性与原子

核——原子的量内层结构——有关，而不是与整个原子和分子有关。

应用了这些新技术的结果，温度低到绝对温度

0.000 001K。

既然物理学家们发现他们已经达到绝对温度

0.000 001K，难道就

不能摆脱剩下的一点滴而最后达到目标本身吗？

不能，正如能斯脱在他关于这一问题而获得诺贝尔奖的论文

第六章 元 素

第六章 元 素

中所证明的那样（有时也称为热力学第三定律），绝对零度是不可

能达到的。无论我们如何降低温度，也只能将部分的熵移去。在

一般情况下，无论熵的总量如何，若欲移去一个体系中一半的熵，

其困难程度相同。从绝对温度

300K（大约为室温）降至

150K（比

南极所能达到的温度还低），与从绝对温度

20K降至

10K，其难度

是一样的。从绝对温度

10K降至绝对温度

5K或

5K降至

2.5K

等等亦然。现在已达到高于绝对零度百万分之一的低温，但若想

从百万分之一度降至其一半的温度，就像从绝对温度

300K降至

150K一样困难。如果达到了，要从其百万分之一的一半温度再降

到百万分之一的四分之一，仍然同样地困难。这样继续下去无论

怎样似乎接近，但绝对温度还是处在无穷远的距离。

用该方式探求绝对零度的最后阶段，导致对极稀有物质氦-3

的仔细研究。氦本身在地球上并不常见；而且当它被分离出来时，

每

1 000万个原子中只有

13个是氦-3。其余全是氦-4。

氦－3比氦－4原子稍微简单，且只有最常见变体质量的

3/4。

氦-3的液化点在绝对温度

3.2K，比氦-4整整低了

1度。更有甚

者，起初认为氦-4在低于绝对温度

2.2K可变为超流体，而氦-3（虽然简单，但却是较少对称的分子）没有一点迹象。它是惟一需

要继续试验的。在

1972年，发现低于绝对温度

0.002 5K时，氦-3

会变成超流体氦-Ⅱ。

高压

液化气体的工作开创了一个新的科学领域，更引起了大家对

于产生高压的兴趣。似乎把很多种类的物质（不仅气体）放在巨大

压力下，都可以显示出物体性质的基本信息，同时也显示出地球内

部的基本信息。例如，在地表下

11公里（

7英里）深处，压力是

1 000大气压；644公里（

400英里）深处是

20万大气压；而在

3 200

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公里（

2 000英里）深处，则是

140万大气压；到

64 000公里（

4 000英

里）深的地心，就高达

350万大气压。（当然，地球是较小的行星。

土星的中心压力，估计高于

5 000万大气压；至于更大的木星，则

高达

1亿大气压。）

在

19世纪的实验室里顶多能做到

3 000大气压左右，这是

19

世纪

80年代由阿玛加特达到的。但是在

1905年，美国物理学家

布里奇曼开始设计新的方法，立即达到

2万大气压，把实验用的小

金属室给炸裂了。他采用更坚固的材料，终于成功地产生了

50万

大气压。由于在高压方面的工作，他获得了

1946年的诺贝尔物理

学奖。

在他的超高压力下，布里奇曼曾迫使物质的原子和分子更紧

密地排列，这种排列有时在除掉压力后，仍可被保留下来。例如，

他把普通非导电体的黄磷，变成了可导电的黑磷，甚至还使水产生

惊人的变化。普通冰比水的密度要低，利用高压，布里奇曼制造出

一系列的冰（冰-Ⅱ、冰-Ⅲ等等），它们的密度不仅比液体水还高，

而且温度也比正常水的冰点高。冰-Ⅶ在温度高于水的沸点时是

固体。

所有高压技术中最引人注目的就是金刚石。它是一种结晶

碳，就像石墨也是一种结晶碳一样。当一个元素以两种不同的形

式出现时，称为同素异形体，金刚石和石墨是该现象最引人注目的

例子。臭氧和普通氧是另一个例子。在前段曾经提到过的黄磷和

黑磷（还有红磷）也是一例。

同素异形体在外观、性质上似乎可以完全不同。大概，除了煤

和金刚石以外，再没有比石墨与金刚石更令人震惊的例子了。（在

化学上来说，无烟煤是一种含水分多的石墨型式）。

金刚石只不过是石墨（或煤）以不同的原子排列方式形成的，

乍看之下，这个观点似乎令人难以置信，但是金刚石的化学本质早

第六章 元 素

第六章 元 素

在

1772年就由拉瓦锡及其他一些法国化学家证实了。他们合资

买了金刚石，然后把它加高温燃烧，发现所产生的气体是二氧化

碳。后来，英国化学家坦南特证明，所测得的二氧化碳总量，只有

在金刚石为纯碳时才有可能产生。这点和石墨是一样的；在

1799

年，法国化学家莫尔弗把金刚石变成一堆石墨，证明这种说法是正

确的。

莫尔弗所做的不是一件合算的事，但是为什么事情不能反过

来呢？金刚石密度比石墨高了

55%。为什么不能对石墨加压，使

它形成较密堆积的金刚石呢？

经过多方的努力，像炼金术士那样，许多实验者都报告取得了

成功。最有名的就是法国化学家穆瓦桑。在

1893年，他把石墨溶

于熔融的铸铁中，并报导说，冷却后在里面发现了些小金刚石。其

中大部分的物质是呈黑色而又不纯的微小东西，但是有一颗却是

无色的而且几乎有

1厘米长。该结果广为大家所接受，而且在很

长一段时间里，穆瓦桑甚至被认为己制造出了人造金刚石。然而，

他的结果从来没有人成功地重复过。

在合成金刚石的研究方面不是没有意外收获的。1891年，美

国发明家艾奇孙在他认为可制成金刚石的情况下加热石墨，偶然

发现了碳化硅，他给它的商品名为金刚砂。经证明。除了金刚石

外，它比当时所知的任何物质都硬。这种物质已成为一种广泛使

用的研磨剂，即作为磨碎、磨光之用的物质。

研磨剂的效率取决于它的硬度。研磨剂可以抛光或磨蚀比它

较软的物质，而作为最硬的一种物质的金刚石，它在这方面可说是

相当有用的。各种物质的硬度通常以莫氏硬度来量度。这个硬标

是由德国矿物学家莫斯在

1818年提出的。它按矿物编号，定滑石

为

1，而金刚石为

10。具有某一标号的矿物能够在标号比它小的

任何一种矿物上划出刻痕。在莫氏硬度上，金刚砂给以标号

9。

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但刻度间隔并不相等。在绝对尺度上，标号

10（金刚石）与标号

9（金刚砂）的差比标号

9（金刚砂）和标号

1（滑石）硬度差大

4倍。

对所有这些原因是不难看出的，在石墨中，碳原子以层状排

列。在每一单层中碳原子都是以棋盘格六角形排列，像浴室里贴

在地板上的瓷砖。每个碳原子以相同的方式与其他三个碳键连；

因碳属于小原子，所以与近邻键连坚固而紧密。这种棋盘形状的

布置很难拉断，但很薄易断开。这种棋盘形状布置，上层和下层的

距离较大，所以层与层之间的键连较弱，一层能够容易地在下一层

上滑动。由于这一原因，石墨不仅不特别硬，而且实际上可以用作

润滑剂。

然而金刚石中碳原子却全部都是绝对三维的对称排列。每个

碳原子与四个等距离的其他原子键连，四个碳的每一个都处在中

心为一个碳原子的四面体的顶点上，这是非常紧凑的排列，所以金

刚石实质上比石墨紧密。除在不可抗拒的力之下以外，在任何方

向也不会被拉断。其他原子也会采取金刚石结构，但其中以碳原

子最小，键连最紧。因此，金刚石比地表上的任何其他物质都硬。

碳化硅中有一半的碳原子被硅取代。因为硅原子比碳原子大

得多，不能把近邻的原子拉得那么紧，因此键连就比较弱。这样，

碳化硅不像金刚石那么硬（虽然对很多用途，它已经算足够硬了）。

在地表的环境下，碳原子的石墨比金刚石排列更稳定。因此，

金刚石有自发转变成石墨的趋势。然而，你没有某早上醒来发现

灿烂夺目的金刚石戒指隔夜变成毫无价值的石墨的危险，即使在

不稳定的碳原子排列中，仍然连接得如此紧密以致可能需要几百

万年才会发生变化。

这种稳定性的不同，使石墨变成金刚石更加困难。直到

20世

纪

30年代，化学家才经过努力达到把石墨变成金刚石需要的压

力，至少需要

1万大气压以上才可出现转变，甚至有此高压，它的

第六章 元 素

第六章 元 素

转变仍极其缓慢，不能实现。升高温度虽会加速转变，但也提高了

压力的需求。在

1 500℃，至少需要

3万大气压。所有这些都证实

穆瓦桑和他的同代人在他们所使用的条件下制造出金刚石的可能

性不会比炼金术士制造出黄金的可能性大。（有某种证据说明，事

实上，穆瓦桑是他的一个助手的受骗者，该助手厌倦于这项冗长的

实验，决定把一颗真金刚石放在铸铁混合物中，以结束这个实验。）

借助布里奇曼原先达到实验所需的高温与高压所做的工作，

1955年，通用电气公司的科学家们终于完成了这项业绩。产生

10

万以上大气压以及高达

2 500℃高温，此外还有少量的金属，例如

铬等，用于石墨上形成液体薄层。在该薄层上石墨转变成金刚石。

在

1962年，可达到

20万大气压和

5 000℃的温度。于是石墨直接

转变成金刚石，而且没有使用催化剂。

合成的金刚石用作宝石太小且不纯，但目前生产的是商业上

的磨料和切削工具等，合成金刚石确实是这类产品的主要来源。

到

60年代末，偶然生成少量具有宝石等级的小金刚石。

使用这些方法所制成的一些较新的产品，可以弥补金刚石的

消耗。硼与氮的化合物（氮化硼），在性质上非常类似石墨（只不过

氮化硼是白色的而不是黑色的）。经受把石墨转变成金刚石的这

种高温和高压后，氮化硼会发生类似的转变。氮化硼的原子可以

从类似石墨的结晶排列转变成类似金刚石的排列。它的新形式称

为金刚石型氮化硼。其硬度约为金刚砂的

4倍。此外，主要的优

点是更抗热。在

900℃左右可将金刚石烧掉，但氮化硼却不变化。

硼比碳少

1个电子；氮又比碳多

1个电子，两者相互组合，会

形成一种很类似碳-碳排列的情形，但离金刚石完美的对称性尚有

一段微小的差距；因此，金刚石型氮化硼不完全像金刚石那么坚

硬。

当然，布里奇曼关于高压的工作不是最后的定论。

20世纪

80

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年代开始，卡内基技术学院的

P. M.贝尔利用一种在两块金刚石

间塞入物质的装置，已设法达到大约

150万大气压，超过了地心压

力的

2/5。他相信这套仪器在金刚石崩溃以前，或许可以达到

1 700万大气压。

加利福亚理工学院利用冲击波制造出的瞬间压力，大约高达

7 500万大气压。

金 属

在周期表中大部分元素都是金属。事实上，

102种元素中，只

有大约

20种可明确地看成非金属。然而，在人类历史上，金属的

使用却比较迟。其中一个原因是除了少数金属外，金属在自然界

都与其他元素结合成化合物，而且不容易辨认与提取。原始人起

初只使用那些经过简单加工，如刻、削、砍和磨，就能使用的材料。

这样他们的材料只限于兽骨、石块和木头。

最初，人们可能是通过发现陨石、小块黄金或含有铜矿的石头

在燃烧后的灰烬中留下的金属铜，才认识了金属。无论是哪一种

情况，好奇（或幸运）的人们发现这些陌生的新物质，研究使用它们

的方法，发现它们有许多优点。金属不同于岩石，当磨光时，它有

吸引人的光泽。它可打成薄片和拉成丝，还可以被熔化，灌入模子

中凝固。它比岩石漂亮多了，可塑性较强，适于作装饰品。很可能

远在金属得到其他应用以前它们就已经被用来铸成装饰品了。

因为金属稀有而且吸引人，又不会随着时间而改变，所以这些

金属在它们变成公认的交换媒介之前就已被当作珍贵的东西以物

易物了。起初一块块的金属（金、银或铜）在买卖交易上，必须分开

称重。但到了公元前

700年，在小亚细亚的赖狄亚王国和爱琴海

上的厄吉那岛，发行了一种铸有官方政府标记且具标准重量的金

第六章 元 素

第六章 元 素

属，这就是沿用至今的硬币。

发现有些金属可做成比石头更锐利的切削工具，即使用来砍

毁石斧砍不动的东西仍能保持锋刃后，全属才站住了脚。此外，金

属很坚韧，你使用力打击，木棍或石斧破裂了，类似大小的金属物

体却只稍微变形。这些优点，大大补偿了金属比石头重且较难得

到的缺点。

较大量得到的第一种金属是铜。这种金属在公元前

4000年就

已被使用了。铜本身制成的武器或铠甲太软（尽管它能制成美丽

的装饰），但发现它通常与少量砷或锑形成的合金却比纯金属还

硬。在铜矿样品中，且发现含有锡。铜-锡合金（青铜）对做武器是

足够硬的。人们很快就学会有意地往铜里加锡。大约公元前

3000年在埃及与西亚，和公元前

2000年的东南欧，青铜时代取代

了石器时代。荷马史诗中的《伊利亚特》和《奥德赛》成为这时期文

化的纪念。

很早以前人们就知道铁和青铜一样，但在一段很长的时间内，

陨石是它惟一的来源。直到发现了冶炼铁矿的方法可大量获得生

铁后，铁才不再是一种贵重的金属。困难在于怎样处理足够热的

炉火，怎样用适当的方法把碳加入铁中、以及怎样使它变得更坚硬

成为现在所谓的钢。约在公元前

1400年，于小亚细亚的某处首先

出现了熔铁技术，后来才慢慢发展传播开来。

因为用铁铸成的剑可以砍断青铜制品，所以一个以铁器武装

的军队可以击溃以青铜器武装的军队、小亚细亚的赫梯族首先在

某种程度上使用铁制武器，曾统治西亚较长一段时间。在公元前

800年，亚述人才继之而起。他们有完全使用铁制武器的部队，统

治西亚、埃及长达两个半世纪。大约在同时，多利安人入侵希腊，

打败抱住青铜武器不放的阿凯亚人，把铁器传入欧洲。

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铁和钢

铁基本上是由铁矿（通常是二氧化二铁）和碳加热而得到的。

碳原子夺去三氧化二铁中的氧，而留下块状的纯铁。在古代所用

的温度不足以使铁熔化，因此产品是一种坚韧而可借助锤击做成

所需形状的金属——这就是熟铁。在中世纪才大规模炼铁。当时

使用了一种专门的炉子和较高的熔化铁的温度。这种熔融的铁，可

灌入模子，形成铸体，又称铸铁。它比熟铁更便宜也更硬，但它很

脆不能锤击。这两种铁需要量的增加，导致大规模森林的砍伐，例

如英国就曾把它的森林消耗在炼铁炉里。1780年，英国铁匠达比

指出，焦炭（碳化了的煤）效果与木炭（碳化了的木材）一样好，甚至

更好。在这方面减轻了对森林的压力，从而开始了长达一个多世

纪的煤为主要能源的时期。

迟至

18世纪，多亏法国物理学家列奥米尔，化学家们才认识

到，原来是碳的含量支配着铁的韧度和硬度。要增强这些性质，碳

的含量应该在

0.2%～1.5%之间，于是制成了钢。钢的硬度、韧

度一般都比铸铁或熟铁强。但是，直到

19世纪中期，才能借助小

心增加适量的碳到熟铁（它本身比较贵）中这种繁杂的过程制造出

高品质的钢。因此，钢仍然是一种奢侈的金属，只能用在不能找到

代替品的地方——如剑和弹簧等。

英国工程师贝色麦引进了钢的时代。起初他对大炮和射弹很

有兴趣。为了使大炮能射得更远、更准确，他发明了膛线系统。法

国拿破仑三世对此也相当有兴趣，并且提供了进一步实验的经费。

但是后来一位法国炮兵指出，贝色麦所构想的膛线系统会损毁当

时所使用的铸铁大炮。贝色麦很懊恼，便转而研究如何生产更高

强度铁的问题。他完全不懂冶金学，因此带着一种很好奇的心理

来接触这个问题。由于铸铁的碳含量关系，所以是脆的。因此，问

题在于如何来减低碳的含量。

第六章 元 素

第六章 元 素

为什么不能使用边熔化铁边送气的方法把碳燃烧掉呢？乍看

起来，这似乎是个非常荒谬的观念。吹空气难道不会使熔融的金

属冷却而凝固吗？贝色麦努力以各种方式去尝试，发现实际上完

全相反。当空气使碳燃烧时，燃烧放出热量，铁的温度会上升，而

不是下降。假如这样，碳就恰好烧掉了。通过适当地控制，可以制

造出大量的钢，价格也较便宜。

1856年，贝色麦公布了他的鼓风炉。铁匠们都兴致盎然地采

用这种方法。后来他们发现这样只能生产次等钢，就很生气地放

弃了它。贝色麦发现工业用的铁矿中含有磷（而磷在他自己的矿

石样品中是没有的）。虽然贝色麦向铁匠们解释是磷辜负了他们，

但他们仍拒绝再次受骗。因此，贝色麦只好借钱，然后在设菲尔德

建立自己的钢铁工厂。他从瑞典进口不含磷的铁矿，快速生产钢，

再以低于其他铁匠的价钱出售。

1875年，英国冶金学家托马斯发现，在鼓风炉里衬以石灰石

和镁砖，便可容易地把磷从熔融的铁中除去。此后，几乎任何铁矿

均能用来炼钢。1868年，德国出生的英国发明家西门子研究出平

炉法，在平炉里将生铁与铁矿一起加热，这种过程也能够控制磷的

含量。

于是人类进入了钢铁时代，钢铁时代不再只是说说而已。若

没有钢，摩天大楼、吊桥、大船、铁路和许多其他现代建筑物的建造

几乎是不可思议的。尽管其他金属不断增加，但在许多日常用途

中，从汽车车身到刀子，钢仍被认为是较好的金属。

（认为任何个别的进展都能导致人类生活方式发生巨大的改

变是错误的，这种改变总是全部彼此有关的进展相互结合的结果。

例如，如果没有常见的电梯装置，世界上所有的钢也不能建成实用

的摩天大楼。1861年美国发明家奥蒂斯取得一种水压电梯的专

利。1889年，他创办的公司在纽约商业大楼内装置了第一座电动

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电梯。）

由于钢廉价又平常，因此有可能进行往钢里加入其他金属

(合

金钢）的实验，看是否还能进一步改进。英国的冶金学家哈德菲尔

德首先开创了这个研究方向，他于

1882年发现把锰加入钢达到

13%的含量，可制成一种较硬的合金。它可以用来制造干粗活的

机器，如碎石机。

1900年又发现一种含钨和铬的合金，在高温下，

甚至炽热时，仍保持它的硬度。这种合金成为高速机床有用的东

西。现今，有无数像钼、镍、钴和钡一类金属的其他合金钢供特殊

工作使用。

钢的主要困难是容易腐蚀——铁还原成原矿石状态的过程。

防止该现象的方法之一是将金属涂上或镀上一层不易被腐蚀的金

属——如镍、铬、钢和锡。最有效的方法是制造一种不腐蚀的合

金。

1913年，英国冶金学家布里尔利意外地发现了这种合金。他

本来想寻找一种适合做枪身的钢合金。在他认为不太适合而抛弃

的样品中有一种镍铬合金，几个月后，他偶然发现，在这堆废料堆

里，这些特殊的合金块明亮如前，而其余的都生锈了。不锈钢就是

这样诞生的。它用在大规模的构件中太软太贵，但极适合于刃具

和小工具那些防锈比硬度更重要的地方。

全世界每年大约要花上

10亿美元来防止铁和钢的腐蚀，但并

不大成功。因此，人们在继续不断地寻找一种普遍的防锈剂。一

种值得注意的最近发现是高锝酸盐（含有锝的化合物），可防止铁

生锈。当然。这种稀有的人造元素绝对不够用在相当大的规模上，

但是它提供了非常宝贵的研究工具。它的放射性使化学家能跟踪

它的结局，并观察它在铁表面上发生的情况。

铁最有用的一个性质是它的强大的铁磁性。铁本身是软磁体

的一个实例。它在电场或磁场的感应下容易被磁化——也就是它

第六章 元 素

第六章 元 素

的磁畴（见第五章）容易排列整齐。当磁场移去时，它容易退磁，其

磁畴再变成混乱的排列。这种易去磁性的性质是可以利用的，像

在电磁铁中，电磁铁的铁心通电时容易被磁化，而断电时也应该容

易退磁。

自从第二次世界大战以来，已经研制出一种新品种的软铁磁

体，就是铁氧体。例如，镍铁氧体（

NiFe2O4）和锰铁氧体

（MnFe2O4），它们用作计算机中各种容易磁化和迅速退磁的元件。

硬磁体的磁畴不易排齐取向，但一旦排齐，则有磁性，而且可

以保持一段长时间。各式各样的钢合金是最常见的例子。但是强

的硬磁体已在含有少量铁或不含铁的合金中发现。最著名的例子

是

1931年发现的吕臬古（alnico），它主要是由铝、镍、钴再加一点

铜制成的（英文名称取自各物质前面的两个字母）。

在

20世纪

50年代提出了用铁粉做成磁铁的技术。这些铁粉

非常细小，以致可形成许多单个的小磁畴。可以让这些磁畴在熔

融的塑料中定向，然后使塑料固化，磁畴的定向排列便保留下来。

这样的塑料磁铁非常容易成形塑造，而且强度相当好。

新金属

在最近几十年，我们看到出现了许多有用的新金属——其中

一些新金属过去曾被看作几乎是没有用的，甚至有些在一个世纪

前尚未问世，有些到我们这一代才知道。最显著的例子是铝，它是

所有金属中最普遍的——比铁还普遍

60%。但是从矿石中提取

铝也非常困难。

1825年，奥斯特（他曾发现电和磁之间的相互关

系）从矿石中分离出了少量不纯的铝。此后，许多化学家都尝试着

分离纯铝，都没有成功。直到

1854年，法国化学家圣克莱尔德维

尔终于设计出可较大量获得纯铝的方法。铝的化学性质是如此活

泼，他不得不使用金属钠（更加活泼）来破坏铝的邻近原子之间的

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紧密键连。有一个时期，

0.454公斤（

l磅）铝卖

100美元，实际上

使铝成为一种贵重的金属。拿破仑三世沉迷于铝制的餐具，还给

他的幼儿制造了一种会嘎啦响的铝制玩具；在美国，人民为了对华

盛顿表示敬意，于

1885年铸造了一座华盛顿纪念像，就是用坚固

的铝平板复盖在其顶部的。

1886年，在奥贝兰学院攻读化学的年轻学生

C. M. 霍尔，有

一次被教授的谈话深深打动。教授说不管谁只要能找到一种便宜

的制铝方法，必能致富。因此，他决定试试看。在他存放木柴的家

庭实验室里，C. M. 霍尔开始利用戴维早期的发现，把电流通过熔

融的金属可以使金属沉积在阴极板上，以此来分离金属离子。他

在找一种能溶解铝的材料时，偶然发现了冰晶石，这种材料仅在

格陵兰大量存在（今天可得到人造冰晶石）。C. M. 霍尔把氧化铝溶

解在冰晶石中，再将混合物熔融，然后通过电流。果然，在阴极上

得到了纯铝。C. M. 霍尔急忙带着几块他的首批金属铝锭去见他的

教授。（至今，这些铝锭仍为美国铝业公司所收藏。）

碰巧，一位正好与

C. M. 霍尔同龄的法国化学家埃鲁，也在同

年发现了同样的方法。（完全巧合，

C. M.霍尔和埃鲁两人都在

1914年逝世。）虽然，霍尔-埃鲁方法使铝成为一种便宜的金属，但

是，它仍然无法像钢一样便宜。因为有用的铝矿比有用的铁矿少，

而且电（炼铝的关键）比煤（炼钢的关键）贵。然而，铝有两大优

点超过钢：第一，它轻，只有钢的

1/3重；第二，铝受到腐蚀时只在其

表面形成一层薄而透明的薄膜，这层薄膜起保护作用，使深层免遭

腐蚀，且不影响铝的外观。

纯铝相当软，但制成合金后就可以得到改善。

1906年，德国

冶金学家威尔姆在铝中加入少许的铜与微量的镁，制成一种坚韧

的合金，他把专利权卖给了德国的杜仑金属工厂，他们称该合金为

杜拉铝。

第六章 元 素

第六章 元 素

工程师们很快就认识到这种轻而坚固的金属在飞机上的价

值。第一次世界大战期间，德国人把杜拉铝用于飞机，英国人由分

析飞机碎片的合金知道了它的成分，这种新金属的用途普及全世

界。因为杜拉铝不像铝本身那样抗腐蚀，所以冶金学家又在它外

层复盖上一层薄薄的纯铝，这种产品称为铝衣合金。

如今，有些铝合金比某些同重量的钢还坚固，凡是认为轻巧与

抗腐蚀比自然强度更重要的地方，有以铝代替钢的趋势。众所皆

知，目前它几乎成为一种普遍的金属了，用于飞机、火箭、铁路、火

车、汽车、门、荧光屏、房屋挡板、油漆、厨房用具、铝箔、包装纸等。

现在我们已有镁，一种比铝还轻的金属。如你可预料的那样，

它主要用于飞机，德国已经把镁-铝合金用于此用途了。在第一次

世界大战以后，镁-铝合金的用途逐渐增加。

因镁的丰度大约只有铝的

1/4，化学活性也较活泼，较难从矿

物中获得。但是很幸运，镁在海洋中有很丰富的来源。镁不像铝

或铁，它大量存在于海水中。海洋可溶解占它本身重量

3.5%的物

质，这些溶解的物质中，有

3.7%是镁离子。因此，总的来说海洋中

含有约

20 000 000亿吨的镁，也就是说可供我们使用到无期限的

未来。

问题在于如何提取。过去选用的方法是把海水抽入大水槽，

再加入氧化钙（也可从海中即从牡蛎壳中取得）。氧化钙与水和镁

离子反应形成氢氧化镁。氢氧化镁不溶于水而从溶液中淀沉出

来。以盐酸处理氢氧化镁把它转变成氯化镁，再利用电流把氯分

开，就可以得到镁金属。

1941年

1月，道化学公司第一次从海水中生产出镁锭，而在

大战期间，镁的产量大约增加了

10倍。

事实上，可从海中提取的任何元素都可视为无限制的供给，因

在使用之后，终究还会再回到海里去。据估计，若每年从海水提取

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100万吨的镁，经过

1万年，海洋中镁的含量将会从原先的

0.13%

降至

0.12%。

如果钢是

19世纪中叶“令人惊奇”的金属，20世纪轮到铝，20

世纪中叶轮到镁，那么下一个令人惊奇的新金属是什么新金属呢？

这种可能性是有限的，在地壳中只有

7种真正称得上是常见的金

属。除了铁、铝、镁之外，它们是钠、钾、钙和钛。钠、钾和钙作为结

构金属化学性质太活泼了（例如，它们会和水产生剧烈反应）。剩

下来的就是钛了，它的丰度大约是铁的

1/8。

钛具有不寻常的综合的优良品质。它大约只是钢的一半重；

比等重的铝或钢坚固；它抗腐蚀，能够耐高温。由于所有这些原

因，钛现在已被用于航空、船舶，而且如果能很好地利用这些性质，

还可用作定向导弹。

为什么这么晚才发现钛的价值呢？理由大致与发现铝、镁相

同：钛容易与其他物质反应，而它的不纯形式——与氧或氮化

合——是一种不吸引人的金属，易碎，似乎没有什么用途。它的强

度与其他特性只有当它经过分离而成为真正纯钛（这样的分离在

真空或惰气中进行）时才显现出来。冶金工作者的努力已成功地

把

0.454公斤（1磅）钛的价格从

1947年的

3 000美元降至

1969

年的

2美元。

但是，已经不需要再去寻找新的令人惊奇的新金属了，因为我

们可以把旧的金属（和某些旧的非金属）改造得比现在更“惊人”。

在

O. W.霍姆斯的诗《执事的杰作》中，讲述了一辆精心制作

的没有最薄弱之点的“单马轻便马车”，这一单马马车最后突然粉

碎成粉末。但这已经是

100年以后的事了。

金属和非金属晶态固体的原子结构颇像单马轻便马车的情

况。金属的晶体具有亚微观的裂隙和裂痕，在加压下，断裂会从这

些薄弱点开始，并传遍整个晶体。如果能像执事的奇异的单马轻

第六章 元 素

第六章 元 素

便马车，使晶体没有薄弱之点，那么它将具有很高的强度。

这种没有弱点的晶体在晶体表面上确实形成像细纤维一样的

东西，称为晶须。已发现碳晶须的抗拉强度高达

217吨/厘米

2（1 400吨/英寸2），是钢的抗拉强度的

15～70倍。如果能设计出

大量制造这种无缺陷的金属的方法，我们就会找到惊人强度的材

料。例如

1968年，苏联科学家制成细小的无缺陷的钨晶体，它能

经受

253吨/厘米2（1 635吨/英寸2）拉力，而最好的钢只能经受

33

吨/厘米2（213吨/英寸2）。即使得不到无缺陷的块状晶体，将无缺

陷的纤维加入普通金属中也会使金属加固和强化。

迟至

1968年才发现把金属结合起来的方法。具有历史意义

的两种方法是合金法和电镀法。合金法把两种或更多的金属熔化

在一起，形成一种近乎均匀的混合物；而电镀法是把一种金属牢固

地粘结到另一种金属上（通常是把较贵的金属薄层镀在大体积的

便宜金属表面，如此一来，该表面就好像金子般漂亮，且具有抗腐

蚀性，但它的整体则像铜一样便宜）。

美国冶金学家

N. C. 库克和他的助手试图在铂表面上镀一层

硅。他们使用熔融的碱性氟化物当作液体，把铂浸在液体中，来发

生预期的电镀。显然发生了熔融的氟化物把最抗腐蚀的金属的薄

层氧化物去掉了，而使铂表面裸露的对着硅原子。硅原子不是把

它们自身结合到氧原子另一侧的表面上，而是使它们自身进入表

面。其结果是铂的薄外层变成了合金。

N. C. 库克遵循这个新方向，发现许多物质可以用这种方式

结合，在纯金属（或其他合金）上形成合金的“镀层”。库克称此方

法为电解电镀法，并迅速地显示了它的用途。这样，在铜中加入

2%～4%的铍形成一种普通合金，会变得非常坚硬。假如铜被铍

化，以少得多的比较稀有的铍为代价铍化，可以得到相同的结果。

此外，钢以硼来电解电镀（硼化）也会硬化，而加入硅、钴和钛也可

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以产生许多有用的性质。

换句话说，令人惊奇的金属若不能在自然界被发现，仍然可以

由人类的智慧创造出来。

（郝润蓉 译）

第七章 粒 子

第七章 粒 子

第七章 粒子

有核的原子

1 900年以前，人们已经知道原子并不是一种简单而不可分割

的粒子，它至少含有

J. J. 汤姆孙所证实的一种亚原子粒子——电

子。J. J. 汤姆孙认为，电子就像葡萄干似地附着在原子的正电荷

主体上。

识别粒子

人们很快就发现原子中尚有其他粒子存在。当时

A. H.贝克

勒耳发现了放射性，他识别出由放射性物质所放出的某些辐射是

由电子组成的，另外，也发现有另外的发射物。法国的居里夫妇和

英国的卢瑟福发现一种穿透力较电子流小的射线，卢瑟福称之为

α射线，并将电子发射命名为

β射线。后一种辐射是由各自单独

飞行的电子组成的，这些飞行电子被称之为

β粒子。后来发现

α

射线也是由粒子组成的，这些粒子我们称之为

α粒子。α和

β是

希腊字母的头两个字母。

同时，法国化学家维拉德也发现了第三种形式的放射性发射，

并依希腊字母的第三个字母命名为

γ射线。γ射线很快被证实为

一种类似

X射线的辐射线，但

γ射线波长较短。

卢瑟福由实验得知，磁场中

α粒子受到的偏转远小于

β粒子，

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图 7-1粒子受磁场影响的偏转情形

同时这两种粒子的偏转方向也相反；因此， α粒子带有一个正电

荷，它与电子所带的一个负电荷正好相反。从偏转量我们可以计

算出 α粒子的质量至少为氢离子的两倍，氢离子是目前所知带有

最少正电荷的粒子。偏转量受粒子质量和电荷所影响，如果 α粒

子的正电荷等于氢离子的正电荷，那么质量就应该是氢离子的两

倍；如果它的电荷为氢离子的两倍，那么质量就应该有氢离子的 4

倍，依此类推。

1909年，卢瑟福以隔离 α粒子的方法解决了这个问题。他把

一些放射性材料放在一支薄壁玻璃管内，外面再加一支厚壁的玻

璃管，两者中间为真空。α粒子可以穿透内层的薄壁玻璃管，但不

第七章 粒 子

第七章 粒 子

能穿透外层的厚壁玻璃管。比方说，它们从外层的管壁反弹回来，

在反弹中，能量损耗，不能再穿透薄壁，于是就陷在厚薄壁之间。

然后，卢瑟福以放电的方法激发

α粒子使之发光，结果呈现氦的光

谱线（很明显，土壤中放射性物质所产生的

α粒子是天然气井中氦

的来源）。如果

α粒子是氦，那么它的质量一定是氢的

4倍，且正

电量等于两个单位（以氢离子的电量为一单位）。

不久之后，卢瑟福又辨认出原子中还存有另一种正粒子。其

实，这种粒子在许多年前就已被探测到，只是未被认出。

1886年，

德国物理学家

E. 戈德斯坦使用具有有孔阴极的阴极射线管，发

现了另一种新的辐射线，此种辐射穿过阴极的孔，方向却和阴极射

线本身相反，被称为沟道射线。1902年，此种辐射首次应用于探

测地上光源的多普勒－斐索效应上（见第二章）。德国物理学家斯

塔克安置了一种分光镜，使射线射向它而显示出紫位移。因为这

项研究，他在

1919年荣获诺贝尔物理学奖。

因为这种射线的运动方向与负电荷的阴极射线相反，所以

J. J.

汤姆孙建议将此种射线叫做阳射线。因为阳射线的粒子能够轻易

地穿过物体，所以被认为这些粒子的体积远小于一般的离子或原

子。它们在磁场的偏转量表明这些粒子中最小的粒子具有与氢离

子相同的电荷与质量（假设氢离子载有最小单位的正电荷）。因此，

阳射线粒子被推断为基本正粒子——电子的对等物。卢瑟福将此

种粒子命名为质子，源自希腊文“第一”之意。

虽然质子的质量是电子的

1 836倍，但质子和电子确实载有

等量的相反电荷，而原子似乎就是由质子和电子所组成，且电荷互

相平衡。再者，电子能够轻易地脱离原子，而质子则不能，所以质

子似乎是在原子内部。然而最大的问题是：这些粒子在原子内部

所形成的结构是什么样子呢？

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原子核

卢瑟福自己首先寻求答案。在

1906年和

1908年间，他不断

地用

α粒子轰击金属箔，例如金或铂的薄片，以探测金属的原子结

构。结果射出的

α粒子大部分直接穿过金属箔，丝毫没有偏转，就

像子弹穿过树叶一般。但并非全部

α粒子都是如此，卢瑟福发现

在金属箔后面用做靶的感光板上，有一些意想不到的散射点散落

在中心点四周，还有一些粒子反弹回来！就好像子弹不仅没有穿

过树叶反而被坚硬物给弹回一般。

卢瑟福断定，射出的

α粒子撞到了某种致密的核，且此核占原

子体积中非常小的部分，其他大部分体积看来是被电子所占据。

当

α粒子撞击金属箔时，通常只是撞到电子，将这种轻粒子撞向一

边而本身前进方向并未偏转。但是，当

α粒子偶尔撞到原子较致

密的核时就会偏转。因为当射出的

α粒子穿过金属箔时必定会碰

到数千个原子，所以，偏转现象的偶尔发生说明原子核必定是非常

小的。

因此，推测坚实的核由质子所组成是非常合理的。卢瑟福将

质子描绘成挤在原子中心的极小的原子核内。后来证实，原子核

的直径略大于原子直径的

1/100 000。

以下就是原子的基本模型：载有正电的原子核，仅占原子体

积的极小部分，却几乎包含了原子的全部质量，它的四周被电子所

包围，电子几乎占据了原子的全部体积，可是几乎不包含原子的多

少质量。由于在物质基本性质方面卓越的开创性的工作，卢瑟福

于

1908年获得了诺贝尔化学奖。

现在可以用更明确的术语来描述具体的原子及其行为。例

如，氢原子只拥有单一的电子，如果将这个惟一的电子移走，剩下

来的质子马上就会附着到某个邻近的分子上去。但是当这赤裸的

氢原子核无法如上所述地找到一个电子与之共享时，它就像一个

第七章 粒 子

第七章 粒 子

质子——也就是说一个亚原子粒子——那样起作用。在这种形式

下，它可以穿透物质，并且如果能量足够的话，也可与其他原子核

反应。

氦拥有两个电子，要放弃一个并不容易。正如我在前章中所

说的，它的两个电子形成一封闭的壳层，因此此原子是惰性的。如

果氦将两个电子都失掉，它就变成了一个

α粒子——也就是说，一

个拥有两个单位正电荷的亚原子粒子。

第三个元素锂，在它的原子内有三个电子，移去其中的一个或

两个，它就成了离子。如果三个全部被移走，那么它也成为一赤裸

的原子核，此原子核带三个单位正电荷。

因为原子整体而言是中性的，所以原子核所拥有的单位正电

荷数正好等于原子在正常状态下所拥有的电子数。事实上，元素

的原子序数就是以原子的单位正电荷数建立起来的，而不是依据

负电荷数。这是因为原子的电子数在离子的形成过程中很容易改

变，而要改变原子的质子数却非常困难。

这个原子结构的模型刚一完成，新的难题便产生了。除了氢

原子外，单位正电荷数并不能平衡核的质量。例如氦原子核有两

个正电荷，却拥有氢原子核的

4倍质量，此问题愈往元素周期表后

面愈严重。当到铀元素时，它拥有

238个质子，却只有

92个正电

荷。

一个包含

4个质子的原子核（就拿氦的粒子来说），怎么会只

有两个单位的正电荷呢？最初，也是最简单的猜测，认为原子核内

的两个单位正电荷被重量可忽略不计的带负电荷的粒子所中和。

自然，首先想到的是电子，如果我们假设氦原子核是由

4个质子和

2个中和正电荷用的电子所构成，最后留下

2个净单位正电荷，那

么这个迷惑就可以解决了。依此类推，铀原子核内有

238个质子

和

146个电子，净正电荷量为

92单位。这整个构想在放射性核发

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射电子（即

β粒子）的事实下，更加受到人们的支持。

这个观点流行了

10多年，直到另一个更好的答案间接由其他

研究得到后才被推翻。然而在这个观点流行期间，对此假说就提

出了坚决反对的意见。例如，其中之一认为，假如原子核真的是由

质子和对质量毫无影响的电子所组成，那么为什么不同原子核间

的相对质量不成整数呢？根据已测出的原子量，氯原子核的质量

是氢原子核的

35.5倍，难道氯原子核含有了

35.5个质子吗？从

来没有一个科学家能够接受半个质子的观点。

事实上，这个特殊问题在主要争论解决之前早已有了答案，这

本身就是个有趣的故事。

同位素

均匀的构造块

早在

1816年，英国物理学家蒲劳脱认为，所有的原子都是由

氢原子构成的。然而随着时间的推移及原子量的测定，蒲劳脱的

理论就被搁置，因为人们发现许多元素的原子不是整数（取氧的原

子量

16作为标准），氯的原子量为

35.453。其他的例子如锑为

121.757、钡为

137.34、硼为

10.811、镉为

112.40。

19世纪末及

20世纪初出现了许多令人迷惑的观察结果，用

来解释原子量为什么不是整数的问题。英国科学家克鲁克斯（即

发明克鲁克斯管的那个人）从铀中分离出数量很小的一种物质，且

证实远较铀本身更具有放射性。他认为铀本身不具有放射性——

只有他称之为铀

X的这种杂质才有。在另一方面，贝克勒耳发

现，纯化的放射性微弱的铀莫明其妙地随着时间的推移而增加其

放射性。将它放置一会儿后，活性的铀

X就能一次又一次地从中

提取出来，也就是说，铀能够通过本身的放射性转变成更具活性的

第七章 粒 子

第七章 粒 子

铀

X。

卢瑟福同样的也从钍中分离出一种强放射性的钍

X，并且发

现钍也不断地产生出更多的钍

X。最负盛名的放射性元素镭衰变

成放射性气体氡的事实早为人知。所以卢瑟福和他的助手化学家

索迪得出以下的结论：放射性原子在放出粒子的过程中，本身都

会转变成他种放射性原子。

化学家开始找寻这类的转变，得到了多种新的物质，分别命名

为镭

A、镭

B、新钍-Ⅰ、新钍-Ⅱ和锕

C……等等。这些物质依原子

祖系组成三个系列：第一个系列是由铀衰变所产生的；第二个是

钍衰变所产生的；第三个则是由锕衰变所产生的（后来证实锕的前

身是钋）。这三个系列合计共有

40个成员，都有各自特殊的辐射

形式，但是这三个系列的最后产物都一样：每一个系列的物质链

最后均衰变成相同的稳定物质——铅。

很明显，这

40种物质并非是各不相干的化学元素。在周期表

中，铀-92和铅-82之间只有

10个位置，其中除了有两个未知之

外，其他皆是已知的元素。化学家发现，虽然这些物质的放射性不

同，但事实上，其中部分物质的化学性质却完全相同。例如，早在

1907年，美国化学家麦科伊及

W. H.罗斯证实放射性钍——钍的

衰变产物之一，所表现的化学性能和钍完全一样，而镭

D的化学

性能也和铅一模一样，事实上，镭

D即通称的放射性铅。这些说

明，我们所讨论的物质实际上都是某种元素的不同形式，例如，放

射性钍是钍的一种形式，放射性铅则是铅族中的一员等等。

1913年，索迪将这种想法做了清楚的描述，并进一步发展了

这一想法。他证明当

1个原子放出

1个

α粒子时，会转变成周期

表中位于其前两个位置的元素，若放出

1个

β粒子，则转变成后一

位置的元素。在这基础下，放射性钍的确应放在周期表中钍的位

置。被称为铀

X1和铀

Y的物质也是如此：这三种物质是第

90号

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元素的变种。同样，镭

D、镭

B、钍

B和锕

B亦是第

82号元素的变

种，在周期表中共占铅的位置。

索迪将周期表中占同一位置的家族的成员，命名为同位素（源

自希腊文“相同位置”之意）。他在

1921年得到诺贝尔化学奖。

原子核的质子-电子模型（最后证明是错的）能够完美地适合

索迪的同位素理论。从核中移去

1个

α粒子将减少核中的

2个正

电荷——所以从周期表中移前两个位置是必要的。另一方面，从

核中放出

1个电子（即

β粒子），将留下

1个额外的未中和质子，于

是核的正电荷增加

1个单位，结果使原子序数加

1，所以此元素在

周期表中的位置移右

1位。

钍是如何经过三次衰变（并非一次）而形成放射性钍的呢？再

者，生成物依然是钍吗？在整个过程中，钍原子失掉

1个

α粒子、

1

个

β粒子，最后再失掉第二个

β粒子。如果我们承认质子构造块

说，钍原子总共失掉

4个电子（两个假设在

α粒子中）和

4个质子

（实际情形和现在所述并不相同，但并不影响结果）；钍原子核开始

时有

232个质子及

142个电子（假设）。失去

4个电子及

4个质子

后，只剩下

228个质子及

138个电子。前述的任一个情形中，未平

衡的质子数——232减

142，或

228减

138——都是

90，原子序数

依然和以前一样。所以放射性钍像钍一样有

90个电子环绕在原

子核周围。因为原子的化学性质受行星式电子数所控制，所以钍

及放射性钍的化学性能除了原子量（

232对

228）之外完全相同。

元素的同位素是以原子量或质量数来区别的，因此，一般的钍

叫做钍-232，而放射性钍叫做钍-228。同样地，铅的放射性同位

素族有铅-210（镭

D）、铅-214（镭

B）、铅-212（钍

B）及铅-211（锕

B）等等。

同位素的观念也能应用在稳定的元素上，就像放射性物质一

样。例如前文说过的三个放射性系列以铅的三种不同形式结束放

第七章 粒 子

第七章 粒 子

射过程：铀系以铅-206结束，钍系以铅-208结束，而锕系则以

铅-207结束。每一种都是铅的“正常的”稳定同位素，但是这三种

铅的原子量各不相同。

稳定同位素的存在是

J. J. 汤姆孙的助手阿斯顿所发明的一

套设备证实的。此设备利用同位素离子对磁场偏转的差异，非常

灵敏地将各种同位素分离，阿斯顿称之为质谱仪。1919年，汤姆

孙利用这种仪器的早期机型，证明氖是由两种不同的原子所组成：

一种质量数为

20，另一种则为

22。氖-20是一般的同位素，氖-22

则是以

1/10的比例混杂在氖-20中（后来第三种同位素氖-21也

被发现，含量约是大气中氖的

1/400）。

现在，无论如何元素原子量不为整数的原因已经清楚了。氖

原子量

20.183，代表自然中氖的

3种同位素的混合质量。每种原

子各有

1个整数的质量数，但是平均质量数——原子量——就含

有小数了。

阿斯顿继续证实了一些平常稳定的元素确实是同位素的混合

物。他发现氯（原子量

35.453）是由氯-35及氯-37以

3比

1的丰

度比组成的。阿斯顿于

1922年获得诺贝尔化学奖。

在颁奖典礼的演讲中，阿斯顿明确地预报了运用原子核内所

蕴藏的能量的可能性，并且预见了核能发电厂及原子弹的存在（见

第十章）。1935年，加拿大血统的美国物理学家登普斯特运用阿

斯顿的设备进行研究，沿这一方向迈进了一大步。他证实，

1 000

个铀原子中有

993个铀-238，其余的

7个是铀-235，这个重要的

发现很快就为人所了解。

因此，经过

1个世纪的错误探索后，蒲劳脱的观点终被证实为

正确的。元素确实是由结构均匀的构造块所建立起来的——如果

不是由氢原子所建立的，至少也是由具有氢原子质量的单位所构

成。过去元素的重量不能证明这一点的原因是因为元素是由含不

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同数目构造块的同位素所组成的。事实上，即使是用做测量元素

相对重量标准的原子量为

16的氧，也并不是完全的纯物质。在一

般氧-16的每

10 000个原子当中，有

20个原子量为

18个单位的

同位素及

4个原子量为

17个单位的同位素。

事实上，有一些元素是由单一的同位素所构成的（这个名称用

的不当，我们说一种元素仅有一种同位素，就好像说一位妇人生了

“单一双胞胎”一样）。这类元素包括：铍，所有原子的质量数均是

9；氟，仅由氟-19所构成；铝，仅有铝-27等等。具有特殊结构的

原子核称做核素，这一名称是美国化学家科曼

1947年提出的。我

们可以正确地说：像铝一样的元素是由单一核素构成的。

示踪粒子

自从卢瑟福证实了第一个核粒子的存在（即

α粒子）后，物理

学家们便埋头于探索原子核，试图将一种原子变成另一种原子，或

者将它分解以便观察其结构组成。起初他们只有

α粒子可供使

用，而卢瑟福则对它加以充分地利用。

卢瑟福及其助手所做的许多有效实验中，有一个是将

α粒子

发射到涂有硫化锌的屏上。每一次撞击都产生一极小的闪烁（这

是克鲁克斯于

1903年首先发现的效应）。因此，当每一粒子到达

时，都能观测到，而且可以用肉眼数之。在进行这项技术时，实验

者放置一金属盘阻止

α粒子到达屏上，则闪烁就会停止。当我们

用此种装置以氢做实验时，屏上仍出现闪烁，不受金属盘的影响。

再者，这些新的闪烁外表上与原先由

α粒子所产生的不同。既然

金属盘会阻止

α粒子，那么必有一些其他辐射穿透金属盘到达屏

上。一般认为，此辐射必定是由快速质子所构成。换言之，

α粒子

笔直地撞击氢原子核（记着，核内只有

1个质子），并且使之倾侧向

前，就好像一个台球一样，当撞击另一球时，可将另一球撞向前。

第七章 粒 子

第七章 粒 子

这个受撞的质子，相对地非常轻，以高速向前射出，因此能穿过金

属盘，撞上涂有硫化锌的屏。

由闪烁探测单个粒子的存在，是闪烁计数器的一个例子。在

做这样的计数时，卢瑟福及其助手首先必须在黑暗中坐等

15分

钟，使眼睛能够适应黑暗，然后再做费力的计数。现代的闪烁计数

器不靠人的眼睛和记忆，将闪烁转换成电脉冲，用电子计数，最后

的结果只需从面板上读取即可。

闪烁数很多时，此种记数法更为适用，可以利用电路的设计使

其以

2比

1或

4比

1（或更大的比例）记录下来。这种定标器（就

是按比率减少计数的次数），是

1931年英国物理学家温-威廉斯首

先设计的。自第二次世界大战以来，有机物已取代了硫化锌，并且

已经证实效果更佳。

卢瑟福原先的闪烁实验，有一意想不到的发展。当他以氮取

代氢做为

α粒子轰击的靶时，硫化锌屏依然有闪烁出现，就像质子

所产生的一模一样，卢瑟福只能下这样的结论：α粒子的轰击将氮

原子核内的质子撞了出来。

为了找寻上述现象的原因，卢瑟福转而采用威尔孙云室，这套

设备是苏格兰物理学家威尔孙于

1895年所发明的。这是一个装

有活塞的玻璃容器，里面充有湿度饱和的空气。当活塞往外拉时，

空气因急剧膨胀而冷却。在这种低温下，空气中的水蒸气呈过饱

和的状态，此时任何带电粒子都会使水蒸气凝结其上。如果一粒

子从云室中穿过，使其原子电离，则一串雾状的液滴将显示出粒子

的径迹。

径迹的性质使我们对粒子有更多的了解。质量轻的

β粒子留

下一模糊而摇摆不定的径迹，此粒子即使是通过电子附近也会因

电子的排斥而摇摆。质量庞大的

α粒子则产生一笔直而粗的径

迹，如果

α粒子撞到了原子核而反弹回去，径迹会明显地弯曲。如

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果

α粒子获得两个电子变成中性氦原子，径迹即消失。除了利用

云室内粒子径迹的大小及特性来判断粒子的种类之外，尚有其他

的方法可判断。粒子对外加磁场的反应可以分辨出粒子是带正电

或负电，径迹弯曲的幅度亦可说明粒子的质量及能量。现今的物

理学家对各类径迹照片都非常熟悉，看到照片就好像看到文字说

明一样的清楚。威尔孙因为发明云室而得到

1927年的诺贝尔物

理学奖。

云室自发明以来，已多次改进，而且许多“姊妹”设备也已发

明。原始的云室在膨胀后必须重新调整方可使用。

1939年，朗斯

多夫在美国发明了一种扩散云室。在扩散云室中，热的酒精蒸汽

会扩散到一较冷的区域，如此即能经常保持一过饱和的区域，因而

可以连续地观察粒子的径迹。

随后又有一种原理相似的设备——气泡室出现。在这种设备

中，使用受压的过热液体而不使用过饱和气体。带电粒子的径迹

是以液体中的一连串蒸汽气泡，而不是以蒸汽中的一连串液滴来

显示的。这是由美国物理学家格拉泽所发明的。人们推测他是在

1953年通过研究一杯啤酒而得到这一想法的，如果真是这样，对

他及对物理界而言，这真是一杯幸运的啤酒。格拉泽由于发明了

气泡室而于

1960年获得诺贝尔物理学奖。

最早的气泡室直径只有几厘米，在发明后的

10年间，一般使

用的直径长

1.83米。气泡室如同扩散云室一样能够连续地操作

除此之外，因为在一定的容量中液体中的原子比气体中的多，所以

气泡室可产生较多的离子。因此，气泡室较适合于研究快速及短

寿命的粒子。在它发明的

10年中，气泡室每星期可制造数十万张

的照片。超短寿命的粒子是在

20世纪

60年代被发现的，若无气

泡室，很可能就无法探测到它们了。

由于单一质子的氢原子核是如此简单，可以使复杂性降至最

第七章 粒 子

第七章 粒 子

低，所以液态氢是充填气泡室的一种最佳液体。1973年，在伊利

诺州的惠顿建立了一直径为

4.57米并含有

7 300加仑液态氢的

气泡室。有些气泡室则用液态氦。

虽然和云室相比，气泡室对短寿命的粒子更灵敏，但也有它的

缺点。它不像云室那样可捕捉我们想要的事件作为实验重点，而

必须将一切全部记录下来，然后从多不胜数的径迹中找出有意义

的几条来。因此人们在寻找一种既具气泡室灵敏性又具云室选择

性的探测径迹的方法。

此种需要终于由火花室的发明而得到满足。在火花室中，接

踵而来的粒子使气体电离化，而且通过氖气（氖气中有许多交叉的

金属板）放出电流，电流发出一连串可见的火花，显示出粒子通过

的情形。此设备可调整到只对研究中的那些粒子起反应。第一台

实用的火花室是由日本的物理学家福井三郎及宫本小太郎于

1959年建立的。苏联物理学家做了进一步的改进，提高了其灵敏

性及灵活性。这种火花室制造出的短流光，若持续观察，即形成一

条连续的线（而不是火花室那种分离的火花）。这个改进后的装置

于是被称做流光室，它能探测到室中发生的事件及在任何方向迅

速形成的粒子，而原来的火花室在这两方面都无法做到。

元素的嬗变

暂且搁下现代在研究亚原子粒子飞行方面的发展，我们回到

半世纪前，看看卢瑟福在最初的威尔孙云室中，以

α粒子轰击氮原

子核时，究竟发生了什么事情。

α粒子会留下突然以分叉状结束

的径迹——简言之，就是和氮原子核碰撞。叉状火花中，较细的一

支代表打出去的质子；另一支则较短且粗，代表剩下的氮原子核

的径迹，它在碰撞中反弹回来。但是我们却没有发现

α粒子本身

均踪迹，似乎是被氮原子核吸收了。这一推测后来由英国物理学

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家布莱克特加以证实。据说他在收集

8次这样的碰撞过程中拍摄

了超过

20 000张的照片（这确是非凡的耐心、坚强的信念和顽强

的毅力的一个范例）。由于此项努力以及在核物理方面的其他工

作，布莱克特于

1948年获得诺贝尔物理学奖。

现在可以对氮原子核的命运加以推断了。当它吸收了

α粒子

后，它的质量数由

14增加到

18，正电荷数也由

7增加到

9。但由

于这种结合很快地会放出

1个质子，因此，质量数降为

17，而正电

荷数降为

8。现在，带有

8个正电荷的元素是氧，而质量数

17则

属于同位素氧

-17。换言之，卢瑟福于

1919年已使氮嬗变成氧。

这是历史上最先由人工所完成的元素嬗变。虽然炼金术士以他们

的技术无法预见或重复这种方法，但他们的梦想终被实现。

正如抛射体一样，出自放射源的

α粒子也有其局限性：它们

几乎没有足够能量闯进重元素的原子核中，因为重元素的高正电

荷对于带正电的粒子有着强烈的排斥作用。但今日原子核的壁垒

已被轰破，而且能量更大的轰击将接二连三地到来。

新粒子

轰击原子核的事情使我们回到原子核本身的构造问题。虽然

原子核结构的质子-电子理论能完满地解释同位素，却与某些事实

冲突。亚原子粒子通常都有自旋的特性，就好像天体绕着自己的

轴旋转一样。我们选取测量自旋的单位时，要使质子和电子有

+

1

或

.1

的自旋。因此，若原子核内束缚偶数个电子或质子（或两

22

者），则原子核的自旋为

0或某一整数——+1，-1，+2，-2……

等等。如果是由奇数个电子或质子（或两者）所构成的原子核，则

总自旋应为一半整数，如

+12 ，

.12 ，

+112 ，

.112 ，

+2 12 ，

第七章 粒 子

第七章 粒 子

.2 12 ……等等。假如试将偶数个正或负的半整数相加（或混合

相加），然后将奇数个的同样相加，就可知道必定会有上述的结果。

正巧，氮原子核的电荷为

+7，质量为

14，由质子-电子理论可

知，氮的原子核必须有

14个质子以符合质量，且有

7个电子以中

和

7个正电荷，最后留下

7个正电荷。在此核中的粒子总数为

21，所以氮原子核的总自旋应为一个半整数，然而事实上并非如

此，它是一个整数。

这种矛盾在其他的原子核中也有，似乎质子

-电子理论有些行

不通了。然而只要质子和电子是已知仅有的亚原子粒子，科学家

们就难以找出一种替代的理论。

中子

然而，就在

1930年，两位德国物理学家博特和贝克尔提出报

告说，他们已经从核中释放出一种具有不寻常穿透力的神秘新辐

射。他们是用

α粒子轰击铍原子时放出这种辐射的。而在这年之

前，博特已经设计出将两个或更多个计数器连接在一起使用的方

法——符合计数器。这些计数器能够辨认出百万分之一秒内发生

的若干核事件。因为这个成就及其他方面的努力，他于

1954年得

到诺贝尔物理学奖。

两年后，继博特及贝克尔的发现，又出现了法国物理学家

F.约里奥-居里及

I. 约里奥-居里（后者是居里夫人的女儿）的发

现。他们从铍中得到的新辐射去轰击石蜡——一种由碳和氢所组

成的蜡状物质，而将质子从石蜡中撞击出来。

英国物理学家查德威克很快就提出，此种辐射是由粒子组成

的。为了确定其大小，他利用它们去轰击硼原子，然后从新原子核

质量的增加算出此种加到硼原子的粒子的质量约等于质子的质

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量。然而此种粒子并不能由威尔孙云室探测出来。查德威克认为

唯一的解释是这种粒子一定是不带电荷的（一未带电的粒子不能

电离其他的原子，所以在云室中没有水滴凝结）。

因此，查德威克下结论说，一种全新的粒子出现了——与质子

质量相当却不带电荷的粒子，也就是说，呈电中性。这种粒子存在

的可能性在查德威克证实以前曾经有人提出过，并且命名为中子，

查德威克接受了这个名字。由于发现中子，使他在

1935年获得诺

贝尔物理学奖。

此种新粒子马上解决了理论物理学家在原子核的质子

-电子

模型中的某些疑问。德国物理学家海森伯宣布：原子核是由质子

和中子（而不是由质子和电子）组成的。这是一个比较令人满意的

说法。因此，氮原子核可视为由

7个质子及

7个中子所构成，结果

质量数为

14，总电荷（原子序数）为

+7。再者，核中的粒子数为

14——一个偶数——而不是稍早认为的

21（一个奇数）。因为中

子就像质子一样，也有一自旋

+12 或

.12 ，因此，质子数及中子数

的和为一偶数，使氮原子核的自旋等于一整数，并且符合观察到

的事实。事实上，所有不能用质子

-电子理论来解释具有自旋的原

子核，都可以用质子-中子理论加以解释，证明具有自旋。原子-中

子理论提出后马上被接受且沿用至今，终究原子核中是没有电子

存在的。

更进一步地说，此种新模型也像旧的一样，能将元素整齐地填

入周期表中。例如，氦原子核若是由

2个质子和

2个中子所构成，

则可解释为何质量为

4、核电荷却为

2个单位。此外，这个概念能

以非常简单的方式解释同位素。例如，若氯-35的原子核是由

17

个质子及

18个中子所构成，而氯-37的原子核是由

17个质子及

20个中子所构成，则二者有相同的核电荷，至于较重同位素的额

第七章 粒 子

第七章 粒 子

外重量，主要是由多出来的两个中子所造成。同样地，氧的三种同

位素也只是差别在中子数罢了；氧-16有 8个质子和 8个中子；

氧-17有 8个质子和 9个中子；氧-18则有 8个质子和 10个中子

（图 7-2）。

图 7-2 氧-16、氧-17、氧-18的原子核构造。它们都含有 8个质子，并

分别有 8、9、10个中子

简而言之，每种元素都可以简单地以原子核中等于原子序数

的质子数来表示。除氢以外，所有元素的原子核中都有中子的存

在，而且一个核素的质量数是其质子和中子之和。因此，中子和质

子一起成了物质的一种基础构造块。为了方便，中子和质子合称

为核子，这个名词是丹麦物理学家莫勒 1941年首先使用的。从核

子衍生出核子学。这个新名词是美国工程师 Z.杰弗里斯 1944年

提出的，表示所有原子科学和技术的研究。

由于对原子核的结构有了新的认识，使得核素有了进一步的

分类。就像前文所说过的，凡具有相同质子数的核素就叫做同位

素；同样，具有相同中子数的核素（例如氢-2和氢-3，每个原子核

中含有一个中子），称做同中子素；具有相同核子数的核素，当然具

有相同的质量数——例如钙-40和氩-40——称做同质异位素。

原子核结构的质子-电子学说，在一开始时就没有解释为什么

放射性核能放出 β粒子（电子），然而，如果原子核中没有电子，那

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么电子又从何而来呢？但是这个问题已经弄清楚了，下面我就简

要地谈一谈。

正电子

在一个非常重要的方面，中子的发现使物理学家感到失望。

他们曾认为宇宙只是由两种基本粒子构成的——质子和电子，而

如今却多出了第三种粒子。对科学家而言，舍弃简易总是让人感

到遗憾。

最糟糕的是，事实证明，这只不过是个开端罢了。更多的粒子

不断地被发现，使得简单化理论很快就溃不成军。

物理学家曾花了多年时间研究来自空间的神秘的宇宙射线，

这是奥地利物理学家

V. F.赫斯

1911年乘气球在大气层中高飞

时首先发现的。

这种辐射的存在是由一简单的设备测定出来的。这套设备是

如此之简单，对于那些认为现代科学只有靠极其复杂的设备才能

进步的人而言，实在是令人振奋。这套设备就是验电器，构造是将

两片金箔附着在一金属杆上，然后再将此金属杆放到装有窗户的

金属外罩中（这套设备的前身远在

1706年就由英国物理学家霍克

斯比造出）。

如果此金属杆充以静电，那么此两片金箔就会彼此分离。理论

上，这两片金箔会彼此永远分离，但实际上金箔周围大气中的离子

会慢慢地传导电荷，因此箔片也会渐渐地靠近。高能辐射——比如

X射线，

γ射线或其他带电粒子流——造成了使金箔漏电所必需的

离子。即使屏蔽良好的验电器，仍然会有慢漏的情形，表示有一种

和放射性并不直接有关但具有穿透力的辐射存在。V. F.赫斯在大

气中飞得越高，这种具穿透力的辐射密度就越增加。由于这个发

现，V. F.赫斯得到了

1936年的诺贝尔物理学奖。

第七章 粒 子

第七章 粒 子

美国物理学家密立根收集了很多有关这种辐射的资料（并命

名为宇宙射线），他断定这种辐射一定是电磁辐射的一种形式。宇

宙射线贯穿本领很强，部分甚至能穿透几米厚的铅。密立根认为，

它很像具有穿透力的

γ射线，但波长较短。

其他科学家，尤其是美国物理学家康普顿，主张宇宙射线是粒

子，并有一种方法可以测定。如果宇宙射线是带电粒子的话，当他

们从外层空间接近地球时，会因地球磁场的影响而偏转。康普顿

对各种不同纬度宇宙射线的测量加以研究，发现它真的受磁场影

响而弯曲：靠近赤道的地方影响最弱，而在磁力线汇集的两极处

影响最强。

当原始宇宙粒子进入大气层时，带有极高的能量，其中大部分

是质子，但有些是较重元素的原子核，一般说来，原子核越重，在宇

宙粒子中就越少，然而就像铁原子那样复杂的原子核却很快被探

测出来，而且在

1968年还探测出像铀原子核那样复杂的原子核。

铀原子核只占这些粒子的

1/10 000 000。此外，还有一些超高能

电子。

当这些原始粒子撞击到空气的原子和分子时，会将它们的原

子核撞碎，而产生各种次级粒子。我们在地球附近所测试出来的

就是这种次级辐射（仍然非常强），但发射到高层大气的气球却记

录到原始辐射。

如今，由于宇宙射线的研究，继中子之后又发现了另一种新粒

子。事实上，理论物理学家狄喇克曾经预测过这种粒子的存在，他

由对亚原子粒子性质所作的数学分析，推论出每一粒子都应有一

反粒子（科学家希望自然界不仅具有简单性而且具有对称性）。因

此，应该存在一种反电子，这种反电子与电子完全相同，只是带有

1个正电荷，而不是

1个负电荷；也应该存在一种反质子，这种反

质子带有

1个负电荷而不是

1个正电荷。

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当狄喇克在

1930年提出此项理论时并未引起科学界注意，但

两年后反电子真的出现了。美国物理学家安德森与密立根一同研

究宇宙射线究竟是电磁辐射还是粒子的问题。当时大部分的人都

准备接受康普顿的论证，认为宇宙射线是带电粒子。然而密立根

却是一位特别不甘心认输的人，他不满意问题就此了结。安德森

想查明进入威尔孙云室的宇宙射线是否会受强力磁场的影响而弯

曲。为了充分降低射线速度以便测出曲率（如果存在的话），安德

森在云室中放置一块约

10厘米厚的铅隔栏。他发现，穿过铅后再

穿越云室的宇宙射线的确有一弯曲的径迹。不仅如此，他还发现

了其他的物质。在高能量的宇宙射线穿过铅时，它们将一些粒子

从铅原子中撞击出来，其中一种粒子形成和电子一样的径迹，但弯

曲方向却相反，也就是具有相同质量却带相反的电荷。这就是狄

喇克的反电子。安德森把这项发现称为正电子。这是宇宙射线产

生次级辐射的一个例子，但在

1963年，人们发现正电子亦包括在

原始辐射中。

若正电子单独存在时，则和电子一样的稳定（既然除了电荷不

同外，其余皆相同，为什么不这样呢），并且可以永久的存在。然

而，正电子并不能单独存在，因为它是在一个充满电子的宇宙中产

生的。当正电子单独射出时，几乎马上（比如说，在百万分之一秒

内）可以在附近找到一个电子。

电子和正电子很可能会有片刻的缔合——两粒子互绕一共同

力心的情形。1945年，美国物理学家鲁阿克建议，将这种双粒子

系统称做电子偶素。1951年，奥地利血统的美国物理学家多伊奇

通过电子偶素放出的特征

γ辐射线而探测到电子偶素的存在。

然而即使有这样的电子偶素系统形成，存在的时间最多也只

有

10-7秒而已。电子和正电子结合而结束它们的绕行。当这两个

相反的物质结合在一起时，彼此相互抵消，不留下任何痕迹（相互

第七章 粒 子

第七章 粒 子

湮灭）；只留下以

γ射线形式存在的能量。这也使爱因斯坦提出的

质能互换原理获得肯定。事实也是如此，安德森很快地探测出相

反的现象：γ射线突然消失，而产生一正负电子对。这种现象称

为对产生（安德森和

V. F.赫斯共同获得

1936年的诺贝尔物理学

奖）。

此后不久，约里奥-居里夫妇于另一场合中碰见了正电子，因

而有了重要发现。他们发现在以

α粒子轰击铝原子的过程中，不

仅产生质子而且产生正电子。这是一件极为有趣的事，但并不惊

人。然而当他们停止轰击时，铝仍继续放射出正电子！这种放射

随着时间的推移而逐渐消失，显然他们已从靶上产生了一种新的

放射性物质。

约里奥-居里夫妇对此的解释是：当铝原子核吸收了一个

α

粒子时，增加了

2个质子，使得铝（原子序数

13）转变成磷（原子序

数

15），因为

α粒子一共含有

4个核子，因此质量数将增加

4——

由铝-27转变成磷-31。如果现在有反应，可自核中撞击出一个

质子，那么将减少一原子序数和减少一质量数，使得它转变成另一

种元素——也就是硅-30。

既然

α粒子是氦的原子核，而质子是氢的原子核，我们可以写

出这一核反应的方程如下：

铝-27＋氦-4→硅-30＋氢-1

注意两边的质量数平衡：

27+4=30+1，原子序数和也是如

此。铝的原子序数是

13，氦是

2，加起来是

15，而硅的原子序数是

14，氢是

1，加起来也是

15。这种质量数及原子序数的平衡可说是

核反应的一般通则。

约里奥-居里夫妇设想，中子和质子一样在反应中形成，若

磷-31所射出的是中子而非质子，则虽然质量数会减少

1，但原子

序数不会改变，此例中之元素仍为磷，但却为磷-30。因此，方程

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式变成

铝-27＋氦-4→磷-30＋中子

1

因为磷的原子序数是

15，而中子的原子序数为

0，则方程两边

的原子序数仍能平衡。

这两种过程——吸收

α粒子后放出质子和吸收

α粒子后放出

中子——在以

α粒子轰击铝时都会发生，但是这两种结果有一极

大的不同。硅-30是众所周知硅的同位素，在自然界中约占硅的

3%强，但是磷-30在自然界中却不存在。磷惟一为人所知的自然

形式是磷-31。简言之，磷-30是一种短寿命的放射性同位素，在

今天，它只能以人工方法制造出来；事实上，它是第一个在实验室

中制造出来的这类同位素。由于约里奥-居里夫妇发现感生放射

性，因而获得

1935年的诺贝尔化学奖。

约里奥-居里夫妇发现轰击铝所产生的磷-30很不稳定，很快

地就因放射出正电子而衰变。正电子如同电子不具任何可观的质

量，放射并不会改变原子核的质量数。然而，失去一正电荷，却使

原子序数减

1，因此由磷转变为硅。

然而，正电子是哪里来的呢？它是否是原子核的构成成分呢？

答案是否定的。真正的原因是原子核中的一个质子因失去一个正

电荷，转变成一个中子，而这个正电荷是以快速正电子的形式释放

出来的。

现在可以解释本章前述有关

β粒子放射的疑惑了。β粒子的

放出恰为质子衰变为中子的反过程，即由中子转变成质子。质子

转变成中子会放出

1个正电子，而同样，为维持对称性，由中子转

变成质子也会放出

1个电子（即

β粒子）。失去

1负电荷就等于获

得

1正电荷，这说明了为什么

1未带电的中子会形成

1带正电的

质子。但问题是：未带电的中子如何发掘出

1负电荷并把它往外

送呢？

第七章 粒 子

第七章 粒 子

事实上，如果只是

1个负电荷，中子是无法这样做的。两个世

纪的经验告诉了物理学家，不管是负电荷或是正电荷都不能无中

生有，也不能自行毁灭。这就是电荷守恒定律。

然而，在产生

β粒子的过程中，中子不仅产生出

1个电子，也

产生出

1个质子。不带电的中子消失了，取而代之的是带正电的

质子和带负电的电子。如果将此两粒子的电荷加起来刚好等于

零。不会产生任何静电荷。同样地，当

1个电子和

1正电子碰在

一起时，彼此会互相湮灭。电子和正电子的电荷加起来刚好和刚

碰在一起时一样，都等于零。

1个质子放出

1个正电子后变成中子，原来的粒子（即质子）

带的是正电荷，因此最终的粒子（中子和正电子）加起来也是

1个

正电荷。

1个原子核也有可能吸收

1个电子。当发生此种情况时，原

子核中的

1个质子会转变成

1个中子。

1个电子加上

1个质子

（合计电荷为零）形成

1个中子，而我们知道，中子是不带电的。被

俘获的电子来自原子最内层电子壳层，因为此壳层中的电子最靠

近原子核，因此最容易被吸收。由于最内层的是

K壳层（见第六

章），因此这个过程被称为

K俘获。此时，来自

L壳层的电子就会

掉入空出来的地方，而放出

X射线，故由

X射线可探测出

K俘获。

这是由美国物理学家阿尔雷斯于

1938年首先发现的。只有原子

核参加的一般核反应通常不受化学变化的影响，化学反应只影响

电子。既然

K俘获会影响电子和原子核，K俘获发生的机会多少

会受化学变化的影响而有所改变。

所有这些粒子间的相互作用都符合电荷守恒定律。但是，它

们也必须符合其他的守恒定律。物理学家认为，任何不违反守恒

定律的粒子间的相互作用总会发生，观察者只要使用适当的工具，

又有充分的耐心，就会探测到这种相互作用。违反守恒定律的事

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件是被“禁止”的，而且不可能发生。虽然如此，物理学家有时会惊

异地发现，守恒定律似乎并不像原来想象的那样严密和普遍适用。

这方面的情况以后再说。

放射性元素

自从约里奥-居里夫妇造出第一个人造放射性同位素，物理学

家便轻松地继续制造出整个家族的同位素。事实上，周期表上每

一元素的各种放射性物质已在实验室中制造出来了。现代的周期

表中，每一元素事实上都是一个家族，拥有稳定和不稳定的成员，

有些是在自然界中发现的，有的只在实验室中才能找到。

举例来说，有三种不同的氢。第一种是一般的氢，含单一质

子。第二种氢则是由化学家尤里在

1932年找到的。他将大量的

水慢慢地蒸发，成功地分离出第二种氢。理论上，最后他必须浓缩

出这种一度被人怀疑是否存在的较重的氢。果然，当他用分光镜

检查最后几滴未蒸发的水时，发现光谱中预测为重氢的位置上有

一条不明显的线。

重氢的原子核是由

1个质子称

1个中子构成的。因为含有

2

个质量数，所以此同位素为氢-2。尤里把它命名为重氢或氘。这

个字源自希腊文“第二”的意思，而其原子核则为氘核。含有氘的

水分子就称为重水。因为氘含有一般氢两倍的质量，因此重水的

沸点和凝固点较一般水为高。一般水的沸点和凝固点分别为

100℃和

0℃，而重水则为

101.42℃和

3.79℃。另一方面，与沸点

为

20.4K的一般氢比较，氖的沸点则为

23.7K。在大自然中，氘

以

1/6 000的比例存在于一般的氢中。尤里由于发现了氘，而于

1934年获得诺贝尔化学奖。

后来发现氘核是一种用来轰击原子核非常有价值的粒子。

1934年，澳大利亚物理学家奥利芬特及奥地利化学家哈特克以氘

第七章 粒 子

第七章 粒 子

核轰击氘本身，结果产生了第三种形式的氢，此种氢是由 1个质子

和 2个中子构成的。

反应是这样的：

氢-2＋氢-2→氢-3＋氢-1

这种新的“超重”氢被命名为三重氢或氚，这个字源自希腊文

“第三”的意思，它的原子核称做三重氢核或氚核，沸点是 25.0K，熔

点是 20.5K。纯的氚氧化物——超重水已制造出来，熔点是 4.5℃。

氚具放射性，相比之下，衰变较快。氚在大自然中是宇宙射线轰击

大气层中的分子所形成的。在衰变时，会放出一电子而变成氦-3，

我们在前章曾经说过，这是一种稳定却少见的氦同位素。

大气层中，大约 80万个氦原子中只有一个是氦-3，毫无疑

问，都是由氢-3（氚）衰变而来的，而氢-3本身则是宇宙射线粒子

撞击大气层中的原子引起核反应所产生出来的。而且任何时候，

氚的含量都是很少的。一般估计大气层和海洋中只有约 1.6公斤

的氚存在。在天然气井下，由于宇宙射线很少有机会在那里形成

氚，因此在所得到的氦中，氦-3的含量占的百分比就更小了。

图 7-3通常的氢、氘、氚的原子核

氦-3和氦-4这两种同位素，并不是仅有的氦，物理学家已制

造出两种放射性氦：一为氦-5，是最不稳定的原子之一；另一为

氦-6，也非常不稳定。

现在可列出的同位素合计已增加到约 1 400种之多，其中

1 100多种具有放射性，而且许多元素是用新型原子炮产生出来

的，这种原子炮比从放射源产生的 α粒子强有力得多，而 α粒子是

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卢瑟福和约里奥-居里夫妇当时使用的惟一投射粒子。

20世纪

30年代初由约里奥-居里夫妇所做的实验，当时似乎

是在建造科学的象牙塔，但后来的确有非常实际的应用。假设以

中子轰击由一种或多种原子所构成的一组原子。每种原子以一定

百分比吸收

1个中子，结果通常是产生

1个放射性的原子。这种

放射性元素将衰变，以粒子或

γ射线的形式放出亚原子辐射。

每种不同的原子将吸收中子而形成不同类型的放射性原子，而

放出不同的特征辐射。我们可以精确地探测到这些辐射。从它的

类型及衰变率，也可辨认出放射性原子放出的辐射，所以也可识别

出未吸收中子前的最初原子。我们可以用这种方法（中子活化分

析）来极其精确地分析物质：即使数量小到某一特定核素的

10-12克

也可探测出来。

中子活化分析可用来确定取自不同世纪的某一种颜料样本中所

含杂质的细微差别，因而，用这种方法，对被认为的古画，只需要使用

其极少的一点颜料，就可以鉴定出真伪。此外，它也可做其他的精确

鉴定：甚至拿破仑死了一个半世纪后，也可找出其尸体毛发中含有

砷——不过却无法确定是被谋杀、服药致死或是意外死亡的。

粒子加速器

狄喇克不仅预言了正电子的存在，也预言过反质子。然而，要

产生反质子需消耗极大的能量，产生反粒子所需的能量与粒子的

质量成正比。既然质子质量是电子的

1 836倍，因此形成反质子

所需的能量至少为形成正电子的

1 836倍。因此必须有一种装置

来加速亚原子粒子，使之具有足够的高能量。

在狄喇克提出他的预言的时候，在这方面只是刚刚起步。

1928年，英国物理学家克罗夫特和瓦耳顿在卢瑟福的实验室中进

行研究，他们研制出一种电压倍增器。这套装置是用来增加电位

第七章 粒 子

第七章 粒 子

的，可使带电质子的能量增加到约

40万电子伏（1电子伏等于

1

个电子在

1伏特的电场中加速后所具有的能量）。因为质子在此

机器中被加速，所以可打破锂原子核。由于这项研究，他们两位共

同得到了

1951年的诺贝尔物理学奖。

同时，美国物理学家范德格喇夫也正建造另一形式的加速器。

基本上，此种加速器是将电子和质子分开，再利用一移动皮带将电

子和质子分送到加速器相对的两端，范德格喇夫发电机在两端间

产生一非常高的电位；范德格喇夫将电位升高到

8Mev。事实上，

静电发电机能够很轻易地将质子加速到等于

24Mev的能量（物理

学家现在都将兆电子伏即百万电子伏缩写成

Mev）。

范德格喇夫静电发电机制造出巨大火花的戏剧性照片吸引了

大家的想像力，大家都想看看这台原子破碎机。虽然人们看到的

像是一部造出人造闪电的装置，但是，当然，它的功用远不止于此

（一部只用来制造人造闪电的发电机，已于

1922年由德国血统的

美国电机工程师施泰因梅茨所完成）。

这种加速器所能达到的能量受限于所获电压的大小。然而，

另一种加速粒子的方法马上孕育而生了。假如我们不用一次就能

得到高能量的粒子去轰击靶粒子，而以一系列小推动的加速粒子

来取而代之，而且使每一连续推动的时间得当，那么轰击粒子的速

度将会逐次增加，就像我们推送小孩子玩的秋千一样，如果每次推

动都和秋千的振荡“同向”的话，则秋千就会越荡越高。

根据这种想法

1931年终于制造出直线加速器。这些粒子被

引导到分成好几部分的管子内，驱动的力量来自一交变电场，而且

设计成能使粒子每进入一个部分管子就能得到一次驱动力。因为

粒子一面走一面加速，所以后一部分管子必须比前一部分的长，才

能在相同的时间内通过每一部分。另外粒子速度必须与驱动的速

度同向才行。

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图 7-4直线型加速器的原理。高频交流电在一连串的驱动管中交替

地推拉带电粒子，使它们朝着固定方向加速

使驱动速度维持正确无误并不是一件简单的事，再加上当时

的技术使管子长度受限，所以直线加速器在 20世纪 30年代未获

利用。但是加利福尼亚大学的劳伦斯提出了一个更好的构想，因

而推动了加速器的进展。

劳伦斯在想，为何不让粒子绕一圆周路径旋转，以替代在笔直

的管中前进呢？磁铁可使它们沿弯曲的路径行进。每当走完半圈

时，粒子会受到交变电场的加速；而且在这种设备中，速度并不难

控制。当粒子速度加快时，路径因磁铁而弯曲的幅度也不很陡，因

此，可以沿较宽的圆形路径运动，且每绕一圈所花的时间也可能相

同。粒子飞行路线呈螺旋状，飞行结束时粒子从圆形室中射出来

撞击靶片。事实上，圆形室被分成半圆形的两半，称做 D型电极。

劳伦斯将此种紧凑的新设备称做回旋加速器（图 7-5），最初

的模型直径小于 0.3米，可将质子加速到约 1.25兆电子伏的能

量。在 1939年的时候，加利福尼亚大学拥有一台 1.25米直径磁铁

的粒子回旋加速器，能够将粒子加速到约 20兆电子伏的能量，为

放射源射出的最大能量的 α粒子速度的两倍。当年，劳伦斯由于

第七章 粒 子

第七章 粒 子

图 7-5粒子回旋加速装置的顶面图（上图）与侧面图（下图）

交变充电的每个 D型电极使从源发出的粒子受到一次加速，并

且受到磁场的作用弯曲成蜷线路径

这一发明而获得诺贝尔物理学奖。

粒子回旋加速器到约 20兆电子伏时，就要受到限制，因为在

此能量时，粒子随速度所增加的质量——爱因斯坦相对论中曾预

言过的效应——相当可观，随着场加速，粒子开始停止加速，相位

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也慢慢地落后。但有个办法可以补救，这个办法是苏联物理学家

维克斯勒和美国加利福尼亚州物理学家麦克米伦于

1945年同时

独立地研究出来的。这个补救的方一法就是简单地使电场强度随粒

子质量的增加而同步增加。修正后的粒子回旋加速器叫做同步回

旋加速器。在

1946年时，加利福尼亚大学已造出能加速粒子使具

有

200兆～400兆电子伏能量的同步回旋加速器。此后美国及苏

联的大型同步回旋加速器，将能量提升到

700兆～800兆电子伏。

同时，电子的加速特别受到瞩目。为了用来撞碎原子，质量小

的电子必须在速度上较质子快得多（就好像乒乓球如要和高尔夫

球具有相同的杀伤力，运动速度就必须快很多才行）。粒子回旋加

速器没有办法利用电子，因为电子在有效运用时所具有的高速会

使质量大增。1940年，美国物理学家克斯特设计出一套电子加速

装置，能使电场强度随质量而增加，并且能使两者间平衡。该装置

是将电子保持在同一圆形的路径而非螺旋状的路径内。这套装置

称为电子感应加速器。这套装置现在可使电子速度提升到

340兆

电子伏。

此外，还有一种设计稍有不同的仪器，叫做电子同步加速器，

是高沃德和巴恩斯于

1946年在英国最先建造出来的，可使电子能

量增加到

1 000兆电子伏的上限，但是不能再高了，这是因为在圆

形路径中迅速运动的电子，当速度增加时，辐射能也随之增加。由

加速粒子所产生的辐射叫做韧致辐射。

模仿电子感应加速器和电子同步加速器的原理，研究质子的

物理学家约在

1947年开始建造质子同步加速器。在此设备中，同

样地使质子在单一的圆形路径上运行。这对节省设备的重量有相

当帮助。当粒子在呈螺旋状的路径上运行时，磁铁必须覆盖整个

螺旋状路径的宽度，使磁力能够均匀地分布；但若路径呈圆形，则

磁铁只需覆盖一较窄的区域就可以了。

第七章 粒 子

第七章 粒 子

由于质子质量大，在圆形路径上运行时，能量不会像电子损失

的那么快，于是物理学家开始使用质子同步加速器，朝着超过

1 000兆电子伏上限的目标努力。

1 000兆电子伏等于

10亿电子

伏——缩写成

Bev（在英国，

1 billion等于

1万亿，所以

Bev在美国

和在英国含义是不相同的。英国是用简写

Gev来代表

1 000Mev，

G是由

giga而来，是希腊文“巨大的”意思）。

1952年，位于长岛的布鲁克海文国家实验室完成一高达

2～3

千兆电子伏的质子同步加速器，称为宇宙级加速器，因为它能达到

宇宙射线粒子中的主要能量范畴。两年后，加利福尼亚大学造出

高能质子同步稳相加速器，能产生

5千兆～6千兆电子伏之间的

粒子。而后，

1957年，苏联宣称他们的配相加速器可达

10千兆电

子伏。

但现在，上述这些机器和一种称为强聚焦同步加速器的新型加

速器比起来，似乎微不足道。高能质子同步稳相加速器有一个限

制，那就是粒子束会撞到所通过路径的墙壁；而新型装置能利用不

同形状的交替磁场将粒子集中，成为窄的粒子束，避免粒子撞到墙

壁。这个构想是克里斯托菲洛斯首先提出的。克里斯托菲洛斯在

这方面以及在克里斯托菲洛斯效应中所显示的“业余”才能，使专家

也相形失色。而这样做可以使达到能量水平所需的磁铁尺寸进一

步减小。当粒子能量增加

50倍时，所需磁铁的重量却小于

2倍。

1959年

11月，由

12个国家合作组成的欧洲核研究委员会

(CERN），在日内瓦完成了一座强聚焦同步加速器，能达到

24千

兆电子伏，且每隔

3秒钟产生粒子大脉冲（含

100亿个质子）。这

个同步加速器的直径几乎有

3个街区的长度，每绕一周长为

640

米。在产生脉冲的

3秒间，粒子所绕的路径约为此长度的

50万

倍。这套装置包含一重达

3 556吨的磁铁，价值

3亿美元。

技术仍在不断地进步，人们寻求更高的能量以产生更多不寻

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常的粒子相互作用，形成更多更重的粒子，以及了解更多有关物质

的基本结构。举例来说，在贮存环中反向绕环的两粒子束速度能

维持一段时间，我们为何不以环中沿方向相反进行的两束粒子来

取代撞击固定靶的一束粒子呢？所以在适当的时候，它们会头对

头地碰撞在一起。这样碰撞的有效能量是不论哪一束撞击一固定

靶的

4倍。芝加哥附近的费密国家加速器实验室依此原理设计的

加速器，在

1982年正式运行，达到

1 000千兆电子伏的能量。此

加速器称做垓电子伏加速器。正在计划建造的另外几个加速器则

有可能高达

20 000千兆电子伏的能量。

直线加速器也再度受到人们的注意。技术上的改良已将过去

困扰的难题解决。就超高能来说，直线加速器有些优点是回旋加

速器所没有的。因为电子在走直线时不会损失能量，所以直线加

速器在电子加速上就更具威力，而且它能使电子更锐细地聚焦于

靶上。斯坦福大学已建造出一座能达

45千兆电子伏能量、长达

3.2公里的直线加速器。

有了高能质子同步稳相加速器，人类终于可以制造反质子了。

加利福尼亚州的物理学家已开始精心制造和探测反质子。

1955

年，张伯伦和塞格雷以

6.2千兆电子伏的质子不断地轰击铜，确实

得到了反质子——事实上，得到了

60个。要辨认出反质子是很难

的，在产生出来的瞬间，也同时产生了

40 000种不同的粒子。但

通过探测器的精巧系统设计和排列得只有反质子才能到达所有的

底板，如此即可无疑地分辨出粒子来。张伯伦和塞格雷由于这项

成就而获得

1959年的诺贝尔物理学奖。

反质子和正电子一样容易消失——至少就我们的宇宙而言是

如此。在产生后的瞬间内，它就会被一般带正电的原子核所夺走。

反质子和核中的质子相互湮灭，转变成能量及更小的粒子。

1965

年，人们已可集中足够的能量来逆转此过程，并且产生质子-反质

第七章 粒 子

第七章 粒 子

子对。

有时候，质子和反质子间只发生一种接近碰撞而不是直接碰

撞。当此现象发生时，它们相互中和各自的电荷，质子因而转变成

中子，这似乎是合理的。但是反质子却变成了反中子！反中子究

竟是什么呢？正电子由于本身所带的正电荷而为电子的相反物，

反质子亦然。但不带电的反中子又和中子有何相反的性质呢？

粒子的自旋

在这里我们必须重提粒子的自旋，这种特性是由荷兰物理学

家乌伦贝克和古兹密特在

1925年首先提出的。自旋时，粒子会产

生一个小的磁场，这种磁场已由德国物理学家斯特恩和美国物理

学家拉比彻底地探究并测出其大小。由于对这个现象的研究，两

人分别获得

1943和

1944年的诺贝尔物理学奖。

这些被测到自旋为半整数的粒子——像质子、中子和电

子——可依照

1926年由费密及狄喇克分别提出的一套规则系统

来处理，因此被称做费密-狄喇克统计法。符合此统计法的粒子

称为费密子，因此，质子、中子和电子皆为费密子。

另一方面，世界上也存有能以整数表达自旋的粒子，它们可以

由爱因斯坦及印度物理学家玻色所建立的另一套规则来处理。遵

照玻色-爱因斯坦统计法的粒子称为玻色子，比如

d粒子就是玻

色子。

种类不同的粒子含有不同的特性。举例来说，泡利不相容原

理（见第五章）不仅适用于电子，也适用于所有的费密子，然而却不

适用于玻色子。

要了解一带电粒子如何建立磁场是很容易的，但要了解为什

么一不带电的中子也会建立磁场，那就不简单了。然而中子会建

立磁场是毫无疑问的。最直接的证据是，当一中子束撞击磁化的

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离子时，就和它撞击未磁化离子时所表现出的行为不同。中子的

磁性很可能是因为它本身是由其他带电粒子所组成的。就中子整

体来说，这些粒子会在中子内互相抵消电性，但在其自旋时多少会

建立一磁场。

总之，中子的自旋使我们知道了反中子是什么。它只不过是

自旋方向和中子相反的另一中子罢了，比如它的南极是在上方而

不在下方：事实上，质子和反质子及电子和正电子也有极向相反

的现象。

毫无疑问，反粒子可组合成反物质，就好像一般的粒子形成一

般的物质一样。第一个反物质的实例是 1965年在布鲁克海文制

造出来的。在那里，以 7千兆电子伏的质子撞击铍靶产生了反质

子和反中子的组合物，这是一种被称为反氘核的物质。自从

反氦-3被制造出来后，无疑地，如果肯多花点心力，仍可形成更多

复杂的反核原子。此原则是很明白的，没有科学家表示怀疑。反

物质是能够存在的。

图 7-6一个氢原子及其由反质子和正电子组成的反物质的对应物

但反物质是否真的存在呢？宇宙中反物质是否有质量呢？如

果有的话，那就会和观察结果有所差异。反物质的引力效应和所

产生的光，与一般物质所产生的应该相同。然而，如果它们遇到一

般物质时，则所产生的巨大湮灭反应应该是特别引人注目的。但

事实却不然，天文学家并没有探索到天空中任何地方因爆发而产

生的能量可清楚地确定是物质-反物质相互湮灭的结果。宇宙有

第七章 粒 子

第七章 粒 子

可能几乎全是物质，而仅有少量甚至根本没有反物质吗？如果真

是如此，原因何在呢？既然物质和反物质除了电磁特性相反外，其

他方面都相同，任何力量如果能产生其中之一，应该也能产生另一

种，宇宙就应是由等量的物质和反物质所构成。

这是一种两刀论法。理论上告诉我们应有反物质存在，但实

际的观察却无法支持这项论点。我们能说观察是失败的吗？活动

的银河甚至于类星体，其核心究竟在那儿呢？这些具有巨大能量

的现象是不是物质-反物质相互湮灭所产生的结果呢？很可能不

是！甚至这种湮灭现象是不充分的，天文学家愿意接受引力崩溃

和黑洞的观念，认为此二者可能是产生所需能量的惟一的已知机

制。

宇宙射线

宇宙射线是什么呢？大多数宇宙线粒子拥有

1~10千兆电子

伏的能量。这也许可以用来解释物质-反物质的相互作用，但有些

宇宙粒子能量可高达

20千兆电子伏、

30千兆电子伏、

40千兆电子

伏。麻省理工学院的物理学家已探测出一些拥有

200亿千兆电子

伏巨大能量的宇宙粒子，如此巨大的数目人们是难以理解的，但是

我们计算出

200亿千兆电子伏的能量能使一个亚微观粒子将

1.8

公斤的重物抬高约

5厘米，由此可见该能量之大。

早在宇宙射线被发现时，人们就感到奇怪：它们是由何处来

的呢？它们是如何产生的呢？最简单的观念是，在我们银河中的

某个地方一直不断地进行着核反应，此反应将具有巨大能量的粒

子往前推送。的确，每隔一年左右产生的这种不太强的宇宙射线

（正如

1942年首次发现的那样）与太阳的耀斑有关。那么像超新

星、脉冲星及类星体，它们的来源又是什么呢？人们并不知道可产

生

200亿千兆电子伏的核反应究竟是如何发生的？最重的物质及

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反物质核相互湮灭释放出的快速粒子最多也只能拥有

250千兆电

子伏的能量而已。

另一种说法，就像费密所说的那样，是假设空间有某种力量加

速宇宙射线粒子，而这些粒子是由超新星之类的天体爆发所产生

的，起初它们具有中等的能量，然后在空间旅途中慢慢地被加速。

目前最流行的理论认为，这些宇宙射线粒子是由宇宙磁场所加速

的。此处宇宙磁场扮演的角色就好像是一巨大的同步加速器一

样。事实上，空间真的有磁场，而且一般认为，我们的银河就整体

而言便拥有一个磁场，但强度最多只是地球磁场的

1/20 000。

在这个磁场中运动时，宇宙射线粒子在一弯曲的路径上慢慢

被加速。当得到能量后，路径就会往外愈荡愈宽，直到那些最具能

量的宇宙线粒子脱离银河为止。尽管大多数的粒子因彼此的碰撞

而消耗了能量，不能达到脱离的轨道，但还是有部分粒子达到了。

事实上，到达我们星球的最大能量的宇宙射线粒子，可能就是从另

一个星系中以此方式脱离出来，然后再通过我们的银河。

原子核的结构

现在我们已经知道了原子核的一般组成及特性，但仍然对其

结构非常好奇，特别是内部的精细结构。首先，原子核的形状是什

么样子呢？因为原子核非常小且质子和中子又紧密地充填其间，

所以物理学家很自然地就假设它是球形的，而事实上，原子光谱的

细节也告诉我们，许多原子核的电荷呈球形分布。当然，有些并不

是如此，它们的行为表现出似乎拥有两对磁极，因此被称为是具有

电四极矩的原子核，但是形状依然和球形相去不远。最极端的例子

是稀土元素的原子核，其核内的电荷似乎呈长球形分布，换句话

说，就是橄榄球形，但即使如此，长轴和短轴的长度差仍低于

20%。

第七章 粒 子

第七章 粒 子

图 7-7这是一张由 30 000千兆电子伏的宇宙射线击碎 1银原子的照片。

宇宙粒子与银原子核相撞产生出 95块核碎片，形成犹如星裂的径迹

至于原子核的内部构造，最简单的模型将原子核描绘成是由

粒子集合紧密填塞而成的，就好像液滴一样。液滴内的粒子（分

子）紧密地挤在一起，分子与分子间几乎没有空间可言，且各处的

密度相等，再者，液滴有一个明显的表面边界。

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1936年玻尔详细地研究了这种液滴模型，提出了原子核吸收

或放出粒子的可能解释。当一粒子进入原子核时，我们可假设，它

将运动能量分配给原子核中所有紧靠在一起的粒子，所以没有一

个粒子可马上得到足够的能量而脱离原子核，约经过

10-15秒后，

就有足够的时间发生

109次以上的随机碰撞，于是某些粒子聚集

了足够的能量之后，就脱离了原子核。

此种模型也可解释由重核发射出

α粒子的原因。如果组成这

些较大核的粒子在原子核内运动并交换能量的话，那么原子核就

会像液滴一样颤动。事实上，所有的原子核都会如此颤动，只是核

越大越不稳定，越容易破裂。由于这个原因，以

2个质子和

2个中

子形式所组成的

α粒子（一种非常稳定的结合）就会自发地从原子

核表面脱离出去。结果，原子核愈来愈小，颤动而破裂的倾向也愈

来愈低，最后达到稳定状态。

颤动的现象也可能导致另一种形式的不稳定。当一大液滴悬

浮在其他的液体中时，受周围液体流的影响也会产生摇晃的现象，

此液滴遂有分解成较小圆球的倾向，大体说来通常是相等的两半。

某些大原子核受中子轰击而产生这种形式的分裂现象已于

1939

年发现（将在第十章详尽描述），我们称之为核裂变。

事实上，核裂变在没有外来的扰动粒子引入时，应该偶尔会发

生才对。内在的颤动应该会偶尔使原子核裂成两半。

1940年，苏

联物理学家弗勒罗夫和派垂克确实在铀原子中探测到这种自发裂

变。铀主要以放出

α粒子的方式显示出它的不稳定性，在

454克

铀中，每秒有

4次自发性核裂变，共有

8兆个原子核释放

α粒子。

自发性核裂变也发生在镁与钍中，更经常发生在超铀元素里。

原子核愈大，发生自发性核裂变的概率也愈大。对于最重的元素

而言，自发性核裂变就成为最重要的分裂方法，比

α粒子的放射重

要得多。

第七章 粒 子

第七章 粒 子

原子核另一种较普遍的模型则把原子核比作原子的整体结

构。原子核内的核子就像电子层层围绕原子核一样，且各层之间

影响甚微，这种模型称为壳层模型。

由于核子与原子的电子壳层相似，我们可假设原子核的外壳

层如果填满了核子，将比未填满核子的原子核稳定。这一极其简

单的理论告诉我们，具有

2、8、20、40、70或

112个质子或中子的原

子核将特别稳定。然而，此理论却不能与观察的结果相符。德国

血统的美国物理学家梅耶夫人（

M. G.梅耶）将质子和中子的自旋

考虑进去，并进一步地证明了自旋是如何影响壳层模型理论的。

考虑自旋的结果，显示具有

2、8、20、50、82和

126个质子或中子的

原子核特别稳定——与观察结果符合。此外，具有

28、40个质子

或中子的原子核也相当地稳定，相对地，如果和上述的几种原子核

相较，其他的原子核就显得较不稳定。这些壳层数有时被称做幻

数，而

28或

40壳层有时也被称做半幻数。

氦-4(2个质子和

2个中子）、氧-16(8个质子和

8个中子）以

及钙-40（20个质子和

20个中子）都特别稳定，而且与其他大小相

似的核相比较，它们在自然界中的蕴藏量显得丰富多了。

对于幻数较高的元素而言，锡有

10种稳定的同位素，每种同

位素都有

50个质子；而铅也有

4种稳定的同位素，每种都有

82个

质子。总共有

5种各含

50个中子的同位素（每种都是不同的元

素），以及

7种各含

82个中子的稳定同位素。一般而言，核壳层理

论的详细预测最接近幻数，然而介于幻数间的元素（比如镧系和锕

系），核壳层理论与观察结果就不大相符了。但是在幻数与幻数正

中间的区域，原子核偏离球形最远，明显地呈椭球状，而壳层理论

是在假设球形下建立的。

1963年的诺贝尔物理学奖颁给了梅耶

夫人以及其他两位对此理论也有贡献的物理学家——维格纳和德

国物理学家延森。

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一般而言，原子核愈复杂，它们在宇宙间就愈稀少，也愈不稳

定，或两者兼具。最复杂的稳定同位素是铅-208和铋-209，都是

126个中子的幻数。此外，铅还是

82个质子的幻数。除此以外，

所有的核素都是不稳定的，一般原子核愈大就愈不稳定。然而，由

于幻数的考虑，解释了为什么钍和铀比其他大小相似的核素拥有

较稳定的同位素。此理论也预测元素

110和

114的同位素（正如

早先提过的）可能较其他大小相似的核素不稳定得多。

轻 子

电子和正电子因其微小的质量而受到注意，它们的质量仅为

中子、质子、反中子或反质子中任一粒子质量的

1/1 836，因此被统

称为轻子，源自希腊文“细薄”的意思。虽然电子在近

100年前首

次被发现，然而迄今为止，仍然未能发现其他带有电荷但质量较电

子为轻的粒子，而且科学家也不期望能发现这种粒子。我们虽然

知道电荷的效应和如何测量它的性质，但我们却不知道它的本质

究竟是什么；不论电荷是什么，它总是以最小质量出现，像电子显

示的那样。事实上，电子可能仅是电荷而已；而且当电子表现如同

粒子时，在电子上的电荷似乎没有广度而只是占据一个小点。

当然某些粒子根本就不具任何质量，也就是没有静质量，同时

这些粒子也没有电荷。例如，光波和其他形式的电磁辐射现象可

以用粒子来表示。而这种用以说明电磁现象（曾被认为是波动）的

粒子，称为光子，源自希腊文“光”。

光子没有质量且不具电荷，而由于自旋为

1，所以是一种玻色

子。我们怎么知道自旋是多少呢？光子在核反应中，有时被吸收，

有时则被释出，在这些核反应中，所有参与反应的粒子反应前后的

自旋总值应该维持不变，即自旋守恒。然而在光子参与的核反应

第七章 粒 子

第七章 粒 子

中，惟一能符合自旋守恒的情况就是假设光子的自旋为

1。光子

并不被认为是轻子，它是专供费密子使用的术语。

我们有理论上的理由认为，当质量在加速状况下（例如围绕另

一质量在椭圆轨道上运动或是引力崩溃时），能量将以引力波的形

式释放出来。这些波动也同样具有粒子的性质，这种粒子称为引

力子。

引力与电磁力相比极其微弱。一个质子和一个电子间互相吸

引的引力，大小约仅为作用于其间的电磁力的

10-39。所以引力子

必然不及相应的光子活跃，因而更难探测到。

虽然如此，美国物理学家韦伯仍然在

1957年开始着手探测引

力子的困难工作。他将一对

153厘米长、

66厘米宽的铝制圆柱体

用金属线悬吊在真空室内。引力子（探测出呈波的形式）如果存

在，将会轻微地移动这两根圆柱体，此时再以一个能够测出

10-14

厘米位移的测量系统加以测量。来自宇宙深处的引力子的微弱波

动，应该同时扫过整个地球，所以也应该同时影响到这一对相距有

段距离的圆柱体。韦伯在

1969年宣称他已经发现了引力波的效

应。这个声明相当令人兴奋，因为一项特别重要的理论——爱因

斯坦的广义相对论将可获得实验上的支持。不幸的是，并非所有

的科学故事都会有愉快的结尾。其他的科学家无论如何尝试，也

无法再和韦伯一样发现引力子，也就是说仍然未能发现引力子。

但是物理学家仍然对广义相对论满怀信心，并且确信引力子一定

存在。他们认为引力子没有质量也没有电荷，自旋量为

2，属于玻

色子，而不是轻子。

光子和引力子都没有反粒子，或说它们本身就是自身的反粒

子。有一个方法或许有助于想象这种情形，把一张纸对折，然后翻

开，中间就会出现一道折线，在折线左右两边等距离处各放一个小

环，它们分别代表电子和正电子，至于光子和引力子则恰好位于折

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痕上。

中微子和反中微子

到目前为止，轻子只有两种：电子和正电子。除非需要新的

轻子，物理学家已满足这种现状，因为似乎没什么充分的理由需要

其他的轻子了。然而，困扰就出现在放射性核放出

β粒子上。放

射性核放出的粒子通常都带有可观的能量，这些能量是由哪里产

生的呢？它是由原子核一小部分质量转化成能量而来的，换言之，

在排出粒子的作用中，原子核总有少量的质量损失。长久以来，有

一个问题一直困扰着物理学家，那就是在核衰变中放出的

β粒子

所带走的能量，不足以和原子核失去的质量相平衡。事实上，并不

是每个电子所丧失的能量都是相等的。它们表现出一宽度的能量

分布，只有极少数的电子能得到最高能量，但是其他大部分的电子

则显示出大小程度不一的能量短缺。不过并不是所有的亚原子粒

子发射都是这种情况。有一特别的核素发射出的

α粒子所带的能

量就和期望值完全一样。那么到底在

β粒子发射中出了什么问题

呢？不足的能量到底跑到什么地方去了呢？

1922年，迈特纳首次提出上述的问题；到了

1930年时，玻尔

已经想要放弃能量守恒定律了，至少在应用于亚原子粒子的时候

是如此。然而在

1931年，泡利为了要挽救能量守恒定律，对不足

能量之谜提出了一个解释。他的解释非常简单：另外有带着缺少

的那部分能量的其他粒子和

β粒子一起由原子核发射出来。这神

秘的第二种粒子具有相当奇怪的性质：它没有质量而且不具电

荷，运动速度为光速，它所具有的仅是一定量的能量。这个粒子像

是为了能量平衡而故意虚构出来的。

但是这个粒子一被假设出来，物理学家立刻就确信这种粒子

一定存在。当中子被发现分离成

1个质子和

1个如

β衰变中一样

第七章 粒 子

第七章 粒 子

不具足够能量的电子时，他们更加确信它的存在。意大利的费密

给这个想象中存在的粒子取了个名称，称之为中微子，意大利文的

意思是“小而中性的”。

中子提供了物理学家另一项中微子存在的证据。正如前文曾

提过的，几乎每一个粒子都有自旋。自旋的大小是以正负

12

的整

数倍来表示。现在我们知道电子、质子和中子的自旋都是

12

。如

果一个自旋是

12

的中子放射出

1个质子和

1个电子，2个粒子自

旋都是

12，那么自旋守恒定律将会如何呢：显然会有问题发生。

如果自旋是同方向，电子和质子的自旋总和为

1。如果是反方向，

总和就是

0；但是无论你如何分配自旋，它们的自旋总和绝不可能

和中子的

12

相等。幸好中微子的出现解决了这个问题。中子的自

旋是

12

、质子是

12，电子则为

.12

，那么质子和电子自旋的总和为

0，而中微子的自旋当然就是

+12

，所以它也是个费密子，因此也是

个轻子，这样一来，方程式便漂亮地平衡了。

+12

（中子）= +12

（质子）

.12

（电子）

+12

（中微子）

但是还有更多的平衡工作要做，

1个粒子（中子）形成了

2个粒子：

质子和电子，如果我们把中微子也算在内的话，那就是形成了

3个

粒子。因此推测中子转换成

2个粒子和

1个反粒子，亦即粒子总

数为

1，似乎更为合理些。换句话说，我们需要用来平衡的不是

1

个中微子而是

1个反中微子。

中微子会在质子转换成中子的反应中出现。这个反应的产物

是

1个中子（粒子）、1个正电子（反粒子）和

1个中微子（粒子），如

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此也达成了平衡。

也就是说，中微子和反中微子的存在可以挽救不只一条而是

三条重要的守恒定律：能量守恒定律、自旋守恒定律、粒子和反粒

子守恒定律。挽回这些定律是非常重要的，因为在其他不牵涉到

电子和正电子的各种核反应中，它们都能成立。如果在牵涉到正

电子和电子的反应中也能成立的话，那将非常有用。

最重要的质子-中子转换是发生在太阳以及其他星体所进行

的核反应中，所以星体会放出快速而大量的中微子流。据估计约

有

6%～8%星体的能量就是被放出的中微子流带走的。然而这

个估计仅对类似太阳的星体才能成立。1961年，美国物理学家邱

洪宜认为，随着星体中心温度的升高，另外产生中微子的反应变得

重要起来。一个星体在其演化过程中，趋向于一个愈来愈热的核

心（见第二章），有更大比率的能量被中微子流带走。

这一论点是十分重要的。由光子传播能量的方式较为缓慢，

因为光子会与其他物质相互作用，所以由太阳的核心前进至表面

之前，需要经过无数次的吸收和再发射过程，因此，虽然太阳核心

的温度是

15 000 000℃，表面的温度却只有

6 000℃。由此也可知

道构成太阳的物质是热的良好绝缘体。

然而，中微子却不容易和其他物质起反应。人们曾计算过，普

通中微子可以通过厚达

100光年的固态铅，被吸收的概率只有

50%。所以，任何在太阳核心形成的中微子，生成后就立刻以光速

在

3秒内达到太阳表面，然后离开太阳，不会遭到任何阻碍。不论

白天或黑夜，任何由太阳朝向我们而来的中微子都可毫无困难地

穿越我们的身体。即使在黑夜里，虽然有庞大的地球介于我们和

太阳之间，中微子穿越地球和我们，和它只穿越我们身体一样容

易。

邱洪宜计算出，当星体中心的温度达到

6 000 000 000K的时

第七章 粒 子

第七章 粒 子

候，星体所产生的大部分能量都被传送至中微子上。这些中微子

一旦形成，便带着能量离去，星体中心因此急剧冷却。或许就是这

个原因，使星体产生剧烈的收缩而成为天空中一颗明亮的超新星。

追踪中微子

反中微子产生于任何中子转换成质子的反应中，但是据目前

所知，每个星体都会产生庞大的中微子流，而反中微子则不然。所

以反中微子的最重要来源是天然放射性和铀裂变。

除非确实查出了中微子的究竟，不然物理学家们是绝不会就

此满意的；一位科学家不愿意仅为信仰而接受某些自然现象或定

律。但是要如何去探测像中微子这样朦胧的实体，一个既没有质

量、电荷，而且实际上也不具有与一般物质相互作用倾向的实体

呢？

但是还有一线希望。虽然中微子与其他粒子反应的概率非常

小，但并不是完全没有。中微子通过

100光年厚的固体铅而不受

影响只是平均的算法而已，还是有一些中微子会在完全通过铅之

前和其他粒子发生反应的。而且有极少数的中微子（对全部的粒

子数来说，几乎是无法想象的极小比率）甚至会停止在相当于

0.254厘米厚的铅内。

1953年，由洛斯阿拉莫斯科学试验室的考恩和莱因斯共同领

导的一组物理学家，开始尝试这件近乎不可能的探测工作。他们

把探测中微子的设备建在佐治亚州萨凡纳河边原子能委员会的一

个大型核裂变反应堆旁。这个反应堆可以提供中微子流，极有希

望释放出大量的反中微子。为了捕捉反中微子，实验人员使用几

个装满水的大水槽，计划让反中微子冲击水中的质子即氢原子核，

然后达到探测质子捕捉反中微子的结果。

情况会如何呢？当

1个中子分解时，产生

1个质子、

1个电子

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和

1个反中微子。所以

1个质子吸收到

1个反中微子后，应会产

生上述逆反应。也就是说，质子将转变为中子，并在此过程中放射

出

1个正电子。所以有两个可证明反中微子存在的粒子必须找出

来，一是中子，一是正电子。在水中溶解镉化合物可以检测出中子

的存在，因为镉吸收中子后，会放出具有特定能量的

γ射线。而正

电子的产生可由它和电子的湮灭作用中放射出的另一种

γ射线鉴

别出来。如果实验仪器探测到这两种特定的

γ射线，而且这两种

射线又被确切的时间分离开，则物理学家将可确定已经捕捉到反

中微子。

实验人员安置好精巧的探测仪器后，开始耐心地等待；直到

1956年，恰为泡利提出中微子的

1/4世纪后，终于捕捉到了反中

微子。当时的报纸甚至一些学术性的期刊只简单地称之为中微

子。

要捕捉到真正的中微子，我们需要一个富含中微子的放射源，

而最明显的一个就是太阳。就像中微子和反中微子是对立的一

样，既然发现反中微子的设备已经出现，那么能够用来探测与反中

微子相对的中微子的设备到底是怎样一个系统呢？意大利物理学

家庞蒂科沃提出了一个可能的方式，就是使用占氯原子总数约

1/4

的氯同位素氯-37。1个氯-37原子核中的中子吸收

1个中微子，

这个中子就会变成质子，同时也会放出

1个电子。然后原子核内

将有

18个质子和

19个中子，而变为氩-37。

为了做成一个相当大的氯中子靶，可能必须使用液态氯，但是

氯是一种强腐蚀性而又含有剧毒的物质，不但如此，若要一直保持

氯在液态状况，冷冻技术上更有相当的困难。因此选用含氯的有

机化合物来代替氯，有一种叫做四氯乙烯的氯化物非常适合捕捉

中微子的需要。

美国物理学家

R. R.戴维斯在

1956年用四氯乙烯做了一个

第七章 粒 子

第七章 粒 子

捕捉中微子的陷阱，以证实中微子和反中微子间确实存在差异。

假若这两种粒子的确不同，这个陷阱将只能探测到中微子而不是

反中微子。1956年，此项设备安装在一个核裂变反应堆的附近，

如果中微子和反中微子完全相同，那么它应该能探测到反中微子，

但是结果并非如此。

下一步是试图探测由太阳而来的中微子。为了这个目的，科

学家使用了一个装满

10万加仑四氯乙烯的大水槽，将之装设在南

达科他州的一个矿坑深处，该处地层厚得足以吸收除中微子以外

来自太阳的所有粒子。于是就产生这种奇怪的情况，我们必须潜

伏在地球内部深处来研究太阳。这个水槽便暴露在中微子下达数

月之久，累积足够的氩-37以利探测。然后使用氦气充入大水槽

中

22小时，于是在氦气中发现微量的氩-37，证实中微子的存在。

到

1968年，太阳的中微子已被探测到，但数量却不及由当时理论

所预测的

1/3。这个发现相当令人困扰，我将在本章稍后再度提

及。

核相互作用

我们可列出目前所得的

10个亚原子粒子如下：

4个较重粒

子，或称为重子（源自希腊文的“重”）——质子、中子、反质子和反

中子；

2个玻色子——光子和引力子；

4个轻子——电子、正电子、

中微子和反中微子。但由于下述原因，物理学家认为这些粒子仍

然不够。

孤立的电子和质子间的吸引作用，或者是

2个质子或

2个电

子间的排斥作用，都可以很容易地解释为电磁相互作用的结果。

2

个原子或

2个分子之间的结合也可用电磁相互作用来解释，认为

是带正电的核吸引外围电子的结果。

在当时认为原子核是由质子和电子构成的情形下，似乎电磁

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相互作用——指在原子核内的电子和质子间的全部吸引作用，已

经足以解释为何原子核也可结合在一起。但自从原子核结构的中

子-质子理论在

1930年被接受之后，令人吃惊的是我们竟无法解

释到底是什么力量结合成原子核。

如果质子是在原子核中惟一带电的粒子，那么在原子核中被

紧密压缩在一起的质子所产生的电磁相互作用，应该是极为强大

的排斥作用。任何原子在这种情况下形成的话，也会在刚形成时

就被这排斥的力量爆炸开来。

所以很明显，一定还有其他类型的相互作用，一种比电磁相互

作用更强大而且能够压倒它的相互作用。

1930年时，惟一为人知晓

的另一种相互作用是引力相互作用。但是引力和电磁力相比极其

微弱，在亚原子的讨论中根本可以完全忽略，没有人会想到它。除

了引力外，一定还有一种迄今未知但非常强大的某种核相互作用。

核相互作用的强度可用以下的考虑加以说明。要把氦原子的

2个电子从核外拿走只需

54电子伏的能量：这个能量足以说明

电磁相互作用的强大了。

另一方面，

1个中子和

1个质子组成的氘核，是所有原子核中

结合最弱的一个，需要

2兆电子伏就能将它分开。考虑到原子核

中粒子间的距离较分子中原子间的距离更为紧密，因而断定核相

互作用的强度约为电磁相互作用的

130倍，这个结论并不过分。

但是核相互作用的本质究竟是什么呢？第一个具有引导性的

说法在

1932年由海森伯提出，他认为原子核内的质子是由交换力

结合在一起的。海森伯把原子核内的中子和质子想象为连续变换

的同一物体，所以任一粒子，可能先是质子，然后变成中子，再变为

质子，如此地持续下去。这个过程可使原子核保持稳定，正如我们

可以将热烫的马铃薯在两手间快速地抛来抛去一样。在质子能够

“察觉”到自己是个质子而试图逃离旁边的质子之前，它已经变为

第七章 粒 子

第七章 粒 子

一个中子，而可安定地留在原来的位置上。自然这要非常之快才

能避免不稳定，大约在

10-24秒内就要发生一次交换。

另一个解释这种相互作用的方式是，假想有

2个粒子，在其间

交换着第

3个粒子。每一次

A粒子释放出交换粒子时，它本身因动

量守恒而向后移动；每一次

B粒子接到交换粒子，它也因动量守恒

而被向后推。随着这交换粒子的来回传递，

A粒子和

B粒子的距离

越来越远，看起来他们就像经历排斥作用一样。另一方面，如果交

换粒子是以回力棒方式环绕运动，由

A粒子背后飞到

B粒子背后，

那么这

2个粒子将被推近，看起来就像经历一种吸引作用。

由海森伯理论看来，所有的引力和斥力都是粒子交换的结果。

在电磁的吸引和排斥作用中交换的粒子是光子；在引力吸引作用

中交换的是引力子（很明显，在引力相互作用中没有斥力）。

因为光子和引力子都没有质量，所以很显然电磁力和引力与

作用距离的平方成反比，而且即使隔了一段极远的距离也都能察

觉到。

引力相互作用和电磁相互作用是长距离相互作用，而据我们

目前所知，也是仅有的两种长距离相互作用。

即使核相互作用确实存在，它也不可能是长距离相互作用的

一种。在原子核内的核相互作用必须非常强大，以维持原子核的

存在；而在原子核外却无法察觉到，不然，核相互作用老早就该被

发现了。所以，核相互作用的强度一定是随着距离的增大而快速

地减小。作用距离每增加一倍，强度就减为大约原来强度的

1%，

而不像引力和电磁力一样仅减为

1/4。基于上述的理由，核相互作

用交换的粒子一定不会是无质量的粒子。

μ介子

1935年，日本物理学家汤川秀树以数学方式分析上述的问

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题，结论是一个拥有质量的交换粒子将会产生一个小范围的力场。

粒子的质量与它所造成的力场范围成反比：粒子的质量越重，力

场范围就越小。他最后推论出，应该在质子和电子之间还有一种

适当粒子的质量。汤川秀树估计它的质量约为电子的

200～300

倍。

仅一年之后，便发现了这种粒子。加利福尼亚理工学院的安

德森（正电子的发现者）在研究次级宇宙射线留下的径迹时，发现

了一道径迹比质子径迹弯得大而比电子径迹弯得小。也就是说，

这种粒子的质量在电子和质子之间。很快便有更多相同的径迹被

发现，造成这种径迹的粒子被命名为介子。

后来质量介于电子和质子间的其他种类粒子也陆续被发现。

为了能够区分上述第一个被发现的粒子，因此将之命名为

μ介

子。μ是希腊字母，几乎所有希腊字母都被用于命名亚原子粒子。

正如以前提及的粒子一样，μ介子也有两种，一正一负。

μ介子的质量为电子的

206.77倍，约为质子质量的

1/9；负

μ

介子是个粒子，而正

μ介子却是个反粒子。负

μ介子和正

μ介子

分别与电子和正电子相当。事实上到了

1960年，我们可以确定负

μ介子除了质量与电子不同外，其他方面完全相同。因此负

μ介

子是个重电子，同样地，正

μ介子是个重正电子。

正负

μ介子会相互湮灭对方，而且在湮灭对方之前会短暂地

绕行双方的力中心，和电子与正电子间进行的情况完全一样。这

种绕行的另一种变化在

1960年为美国物理学家

V. W.休斯所发

现。他发现了

1个电子绕行

1个正

μ介子的系统，称之为

μ子素。

而

1个正电子绕行

1个负

μ介子的系统则称为反

μ子素。

这个

μ子素原子与氢相当类似，氢的结构是

1个电子绕行

1

个质子，而这两个系统在很多性质上相当类似。虽然

μ介子与电

子间除了质量外完全相同，但质量的不同已使它们不是对方真正

第七章 粒 子

第七章 粒 子

的反粒子，所以不会进行互相湮灭。而

μ子素也就没有正电子素

的不稳定性。如果不是

μ介子本身无法长存，

μ子素可能存在

更久，甚至只要没有外界干扰，μ子素可以永远存在。

μ介子和电子间的另外类似性是：正如重的粒子可以产生电

子和反中微子（例如中子变成质子），或是产生正电子和中微子（例

如质子变成中子），所以重的粒子也会相互作用产生负

μ介子和反

中微子，或正

μ介子和中微子。在最初的几年，物理学家一直认为

伴随着电子和正电子的中微子，与伴随着正负

μ介子的中微子是

完全相同的粒子。然而在

1962年，却发现这两种粒子实际上互不

相干，也就是说，电子的中微子不参与形成

μ介子的相互作用，同

样，μ介子的中微子也不参与形成电子或正电子的相互作用。

总而言之，物理学家发现他们已拥有两对无质量无电荷的粒

子，一对是电子反中微子和正电子中微子；另一对是正

μ介子中微

子和负

μ介子反中微子。这两种中微子和反中微子间到底有什么

差异，在当时没有人说得出来，只知道它们就是不一样。

μ介子和电子及正电子间有另一差异，那就是稳定性。电子

或正电子在没有外来影响的情况下，将永远保持原状不会改变。

而

μ介子却非常不稳定，在百万分之几秒的平均寿命期过后即会

分解。负

μ介子会分解为

1个电子、1个电子反中微子和

1个

μ介子中微子；正

μ介子的分解则产生

1个正电子、1个电子中微

子和

1个

μ介子反中微子。

当一个

μ介子发生衰变后，会以少于其

1/200的质量形成

1

个电子或正电子以及

1对毫无质量的中微子。那么

μ介子其余

99.5%的质量到那里去了呢？很明显，一定是变成能量以光子发

射出来，或是消耗在形成其他的粒子上。

如果我们反过来把足够的能量集中在空间中一微小的体积

内，那么产生的不会是正负电子对，而会形成另一对更为臃肿的粒

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子。除了因能量臃肿表现出的质量之外，这粒子对与正负电子对

极为相似。这些附加在基本正负电子上的额外的质量并不很牢

固，所以上述的

μ介子并不稳定，很容易摆脱这些多余的质量而形

成电子或正电子。

τ介子

如果能把更多的能量集中在一微小体积内，则更大、更重的粒

子将会形成。在加利福尼亚州，珀尔使用一加速器使高能电子撞

击前面的高能正电子，因而在

1974年发现了这种超重电子。他称

这种粒子为

τ电子，τ是另一个希腊字母，通常简称为

τ介子。

正如所预测的那样，

τ介子质量约为

μ介子的

17倍，而约为

电子的

3 500倍。事实上，

τ介子质量是质子或中子的

2倍。虽然

τ介子质量很大，但它仍属于轻子，而除了质量和不稳定性外，其

他的性质和电子也完全相同。由它较大的质量来看，

τ介子必然

较

μ介子更不稳定，事实上也是如此。

τ介子只能存在约

10-12秒，

即分裂成

μ介子，然后成为电子。

当然，τ介子也有正负粒子。物理学家理所当然地认为有第

三种中微子和反中微子随着τ介子存在。虽然到目前为止尚未有任

何发现。①

中微子的质量

现在我们已知有

12种轻子：正负电子、正负

μ介子、正负

τ

介子、电子中微子和反中微子、

μ介子中微子和反中微子、

τ介子中

微子和反中微子。这些粒子很明显可分为三种阶层（或者物理学

家现在所说的三种风味）：电子、μ介子、

τ介子，及其各自相关的

中微子和它们的反粒子。

有了这三种风味的轻子，没有理由不会再有第四种、第五种。

① 2000年

7月

21日，美国费米国家实验室宣布发现了

τ子中微子存

在的证据。——ken777注

第七章 粒 子

第七章 粒 子

只要我们能使用的能量可以无止境地增加，将会形成更多的轻子，

每一风味都较前一风味更大、更重而且更不稳定。虽然理论上可

产生的风味数目并无限制，实际上当然有其限制。最后，顶多把全

宇宙所有的能量都用来形成

1个特别高阶层的轻子，不可能有更

高能的轻子出现了。但是，这样的粒子将会极不稳定，以至于其短

暂存在无任何意义。

如果我们把注意力局限在已知的三种风味的轻子上，中微子

的秘密将变得更复杂。这三对无质量、无电荷的费密子，因其粒子

相互作用而各异，可是目前我们还无法就其性质来加以区分。

或许确有一可区分的性质，只是我们还未切实地找到罢了。

例如，三种风味的中微子都被认为是没有质量，且都以光速运动。

现在我们假设每一种中微子都有一非常微小的质量，且与另外两

种的质量不同。如此一来，它们之间的性质自然就彼此不同了。

或者是它们的运动速度都稍小于光速，而与光速的差距又各稍有

不同，这样也有了性质的差异。

在这种情形下，有一种理论支持下述的主张：任何中微子在

运动时会改变本体，一会儿是电子的中微子，一会儿则是

μ介子的

中微子，另一会儿又变成

τ介子的中微子。这种变换称为中微子

振荡，其可能性最早由一些日本物理学家于

1963年提出。

在

20世纪

70年代末期，中微子原始发现者之一的莱因斯和

加利福尼亚大学的索贝尔以及帕西尔柏共同合作，试验中微子振

荡的真实性。他们用铀分裂产生的中微子来撞击

224.95公斤非

常纯的重水。这个过程应该只会产生电子的中微子。

中微子可以引起以下任何一种反应。第一种反应称为中性流

反应。在这种反应中，中微子撞击重水中由中子和质子组成的重

氢核，使中子和质子分开，本身则继续运动。任何一种中微子都可

产生这种反应。第二种反应是中微子撞击中子和质子后，引发质

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子变成中子的反应，产生电子，在这种反应后，中微子不复存在。

第二种反应称为电荷流反应，只有电子中微子才会产生这种反

应。

如果中微子不振荡而仍保持为中子中微子，则我们将可算出

上述的每一种反应会发生多少次；同样地，如果中微子产生振荡，

而且有些已变为其他种类中微子，上述每一种反应的发生次数仍

然可以计算出来。1980年，莱因斯宣称他的实验似乎已经证实中

微子振荡的存在。之所以用“似乎”这两个字，是因为这个实验几

乎是在可探测的极限中进行的，同时也因为其他的实验人员仍未

发现任何中微子振荡的迹象。

这件事目前仍属存疑阶段，但莫斯科的物理学家却从事另一

论点的实验，与振荡扯不上一点关系，结果似乎显示出电子中微

子质量可能是

40电子伏，也就是电子质量的

1/13 000，故认为中

微子没有质量一点也不值得奇怪。

如果莱因斯的实验是正确的，确实有中微子振荡，那么在本章

前面提到令科学家迷惑的来自太阳的中微子短缺的情形将可获得

解释，戴维斯用来探测太阳中微子的设备仅能测出电子的中微子。

如果由太阳射出的中微子发生振荡，那么在到达地球后可能已成

为三种风味中微子的混合物，无怪乎我们探测到的中微子数仅及

预测量的

1/3。

如果中微子确有一微小的质量，即使仅为电子质量的

1/13 000，但因为中微子的数目远超过所有中子和质子的总和，所

以宇宙质量的

99%都是由中微子所构成。而且第二章提及的“失

去的质量”，也可容易地得到解释。事实上，在宇宙中应有足够的

中微子质量使之靠拢，以确保宇宙的膨胀最终停止，并且再度开始

收缩。

如果莱因斯说的没错，上述推论才能成立。但是到目前为止，

第七章 粒 子

第七章 粒 子

我们尚未明了真相究竟如何。

强子和夸克

既然

μ介子是一种重电子，它就不大可能是汤川秀树所寻找

的巩固原子核的粒子。原子核内从未发现电子，所以也不可能发

现

μ介子。早在怀疑电子和

μ介子的性质几乎相同之前，上述的

说法就已有纯实验基础支持。

μ介子并不具有与原子核作用的倾

向，于是汤川秀树的理论有一段时间发生了动摇。

π介子和介子

然而在

1947年，英国物理学家

C. F. 鲍威尔在宇宙射线的照

片中发现另一类型的介子。它比

μ介子略微重些，后来证明质量

约为电子的

273倍。这个新介子被命名为

π介子。

π介子与原子核有强烈的反应，恰好就是汤川秀树所预言的

粒子。所以汤川秀树在

1949年获得诺贝尔物理学奖，鲍威尔则于

1950年获得。事实上，中子和质子间有一个正

π介子，作用犹如

交换力；另外有一相应的反粒子——负

π介子，在反中子和反质子

间担当同样的任务。这两种

π介子的寿命都较

μ介子短，在

1/40

微秒的寿命过后，它们就衰变成

μ介子和

μ介子的中微子。当然

μ介子会再衰变成电子和中微子。还有一个中性

π介子，本身就

是自己的反粒子，也就是说，这个粒子只有一种。中性

π介子极不

稳定，在

10-18秒内就会衰变成一对

γ射线。

虽然

π介子属于原子核内部，但有时候与原子核作用之前会有

片刻环绕原子核，形成

1个

π介子原子，这个情况在

1952年被发现。

事实上，任何一对正负粒子或粒子系统都会和对方互绕。

20世纪

60年代，物理学家为了能得到一些粒子结构的细节观念，曾研究过

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很多这种会逐渐消失的“奇异原子”。

π介子是统称为介子的粒子中第一个被发现的。介子并不包

括 μ介子在内，虽然 μ介子是首先知道的并给以此名称的粒子。

介子和中子及质子有强烈的相互作用（图 7-8），而 μ介子不会与

原子核作用，所以失去成为介子族成员的权利。

图 7-8介子同核相撞。一个来自次级宇宙辐射的高能介子撞到一核上

产生出更多的介子和 α粒子的星裂（左下图），然后一个高能介子沿着图上

指出的摇晃路径达到右上角，在那里与另一个核相撞而最后被阻止

第七章 粒 子

第七章 粒 子

除了

π介子外，K介子也是介子族的一分子。K介子在

1952

年由两位波兰物理学家丹尼兹和帕尼夫斯基首先发现。它的质量

是电子的

970倍，是质子或中子的

1/2。K介子分两种，一种为正

K介子，另一种为负

K介子，也都有反粒子。当然它们也不稳定，

会在约

1微秒内衰变成

π介子。

重子

在介子之上的粒子是重子，重子包括中子和质子。到了

20世

纪

50年代，质子和中子仍是仅知的重子。自

1954年开始有一系

列更重的粒子被发现，有时候称为超子。近年来重子数得到特别

的激增，而质子和中子便成为这一大类中最轻的粒子。

物理学家发现在所有的粒子衰变中，重子的总数（重子数减去

反重子数）保持不变，称之为重子数守恒定律。裂变反应总是由一

较重粒子变成一较轻粒子，如此即可解释为什么质子是重子中惟

一稳定的粒子，因为质子恰好是重子中最轻的粒子。如果质子发

生衰变。它将不会再是个重子，否则将会违背重子数守恒定律。

基于同样的理由，反质子也是稳定的，因为它是反重子中最轻的粒

子。当然

1个反质子和质子摆在一起时会互相湮灭，因为

1个重

子加上

1个反重子，重子的总数为零。

同样也有一轻子数守恒定律，由此定律可解释为什么电子和

正电子是轻子中仅有的稳定粒子。它们是最轻的轻子，不可能在

不违背轻子数守恒定律的情况下发生衰变。实际上，电子和正电

子还有不能发生衰变的第二个理由。它们是具有一个电荷的最轻

粒子，如果再衰变成其他更简单的东西，则将会失去电荷——这是

电荷守恒定律所不允许的。电荷守恒定律事实上比重子数守恒定

律更为坚固，所以在某种程度上来说，电子和正电子比质子和反质

最新科学指南（上）

最新科学指南（上）

子更为稳定——或者说，至少它们是比较稳定的。

除了质子和中子外，被发现的重子都以希腊字母命名，它们是

Λ（lambda）粒子、Σ（sigma）粒子和

Ξ（Xi）粒子。Λ粒子只有一种中

性的Λ粒子，

Σ粒子有三种：正、负和中性；

Ξ粒子有二种：负的和

中性的。以上的每一种都各有其反粒子，总共便有一打的粒子种

类。这些粒子非常不稳定，没有一个能存在超过

1/100微秒；而且

有些粒子如中性的

Σ粒子，

10-14微秒内就会衰变。

中性

Λ粒子可以替代原子核中的中子而形成超核——仅存

在

10-9秒的实体。最早发现的是超氚核，由一个中子、一个质子和

一个

Λ粒子所组成。这个原子核是

1952年帕尼夫斯基和丹尼兹

在宇宙辐射产物中找到的。丹尼兹在

1963年的报告中说，超核包

含

2个

Λ粒子。1968年，甚至发现负的超子可以替代原子结构中

的电子。这些较重的电子替代物在紧靠着原子核的区域内环绕，

实际上是在原子核的外部区域内。

但是以前提到的所有粒子都算是比较稳定的粒子，它们的存

在时间可以直接探测到，而且容易找出其寿命和特性。在

20世纪

60年代，阿尔瓦雷斯发现了另外一组的第一种粒子，因此获得

1968年的诺贝尔物理学奖。这组粒子的存在时间实在太短，只能

由它们衰变的产物来推断。它们的一半寿命约在

10-24秒左右，令

人怀疑的是它们到底是真正个别的粒子，还是两个或多个粒子暂

时偶遇的组合。

这些寿命超短的粒子被称为共振粒子，而在物理学家所能控

制的能量越来越高时，他们也制造出更多的粒子，现在约有

150种

以上的粒子被发现。这些粒子，不是属于重子，就是属于介子；重

子和介子便被统称为强子（也是源自希腊字，意思是“庞大”）。轻

子仍然只有三种风味，每一种包含了粒子、反粒子、中微子和反中

微子。

第七章 粒 子

第七章 粒 子

物理学家因强子的增加而烦恼，如同一个世纪以前化学家为

了元素的增加而烦恼一样。他们开始认为强子一定是由更简单的

粒子所组成。强子不像轻子只是个小点；它们有一定的直径，一个

当然不大的直径，约为

2.54×10-13厘米，这已经不算是个小点了。

在

20世纪

50年代，美国物理学家霍夫斯塔特使用极高能量

的电子来研究原子核。这个电子没有和原子核反应而是被反弹回

来，这使得霍夫斯塔特对强子的结构有了一个结论，但是后来被证

实并不正确，不过却是一个好的开始。因此，他分享了

1961年的

诺贝尔物理学奖。

夸克理论

发展至此，似乎有必要为亚原子粒子列个周期表了：把它们

组成一大家族，包括成员或基本成员及其他相应的激发态粒子（表

7-1）。

1961年，美国物理学家盖耳曼和以色列物理学家尼埃曼，分

别提出自己分类的结果。成群的粒子依相同性质以漂亮的对称方

式组合在一起，这个方式盖耳曼称之为八重方式，正式的名称是

SU#3。特别是，有一分类后的粒子族群尚需另一粒子才算圆满。

这个粒子如果存在，而且是这族群中的一员的话，它必须具备一特

定的质量和一组特定的性质。这些性质的要求不像是一个粒子所

能具有的。然而在

1964年，一个恰好符合预言中所有性质的粒子

被发现了，几年后，这个粒子——Ω-被探测到几十次。1971年，它

的反粒子——反Ω-也被发现。

即使重子被分成数个族群，亚原子周期表也已建立，仍然还有

很多的不同粒子驱使物理学家要找出更简单、更基本的粒子。

1964年盖耳曼努力完成了以最少数目的亚重子粒子来解释所有

重子的最简单方式，这种粒子以夸克的名称出现。盖耳曼取这个

表 7-1长寿命亚粒子表

表 7-1长寿命亚粒子表

族名称

粒子名称符号质量自旋电荷反粒子

粒数（秒）

典型衰变模式

光子γ0 1 中性同一个粒子1 无限长—

引力子 — 0 2 中性同一个粒子 1 无限长 —

—

电子中微子ve 0 1/2 中性ve 2 无限长—

电子

电子 e

.

1 1/2 负 e+(正电子)2 无限长 —

—

μ介子

μ介子中微子 v μ

0(?)1/2 中性v

μ

2 无限长

.

—

—μ介子

μ

.

206.77 1/2 负 μ+ 2 2.212×10-6

.→ e ＋ ve ＋vμ

π

+

+＋v

2.55×10-8

π介子 π.273.2 0 负

π

+

π

+ 273.2 0 正π.

同粒子 3 2.55×10-8 π.

.＋v

介子

π

0264.2 0 中性

π

0

π

0 →γ＋γ1.9×10-16 K介子K+966.6 0 正K—+(负) 4 1.22×10-8K+ →π+＋π0(—) K0974 0 中性 K0 *1.00×10-10和 6×10-8 K0 →

+＋π.

P(质子) 1836.12 1/2 正P–

(负)

无限长 —

—

核子 n(中子) 1838.65 1/2 中性n–

4

1013 n → p＋ –e＋ve

Λ

0 — Λ2182.8 1/2 中性Λ0

2 2.51×10-10

0 → p＋π.

—

Σ

+ 2327.7 1/2 正

Σ

+(负)

Σ

+ → n＋

+ 8.1×10-11

重子— ΣΣ.2340.5 1/2 负Σ.

(正)

6 1.6×10-10 Σ.→ n＋π.

—

Σ02332 1/2 中性

Σ

0

大约 10-20

0 →Λ0＋

—

Ξ

Ξ.2580 1/2 负Ξ.

(正)

4 1.3×10-10 Ξ.→Λ0＋π.

—

Ξ

0 2570 1/2 中性

Ξ

0

大约 10-10

0 →Λ0＋

0

最新科学指南（上）

434

K0介子具有两个不同的寿命，其他所有的粒子均有一个寿命。此表来源于 Kenneth W. Ford著的“基本粒子世界”，1963年出版。*

第七章 粒 子

第七章 粒 子

名字是因为他发现只需要结合

3个夸克就可以构成重子，而且这

3个夸克的不同组合方式便可组成所有已知的重子。

为了能解释重子已知的性质，这

3个不同的夸克必须有其本

身特具的性质。最令人惊异的是分数电荷。所有已知的粒子不是

没有电荷，就是拥有

1个完全和电子或正电子相同的电荷，再不然

就是电子或正电子电荷的整数倍。也就是说，已知的电荷，应该是

0、+1、-1、+2、-2等等。因为分数电荷的想法太离奇了，盖耳

曼的构想在开始时遭到很强烈的阻力。但是他想方设法加以解

释，使大家能静心地聆听，然后给予承认，而在

1969年得到诺贝尔

物理学奖。

例如盖耳曼一开始讲了两种夸克，现在这两种夸克分别被称

为上夸克和下夸克。上和下实际上并不代表任何意义，而只是描

述它们的一种奇怪方式。这两种粒子或许称之为

u夸克和

d夸克

比较好。

u夸克具

+23

电荷，而

d夸克电荷则为

.13

。因此，就有带

.23

电荷的反

u夸克和带

+13

电荷的反

d夸克存在。

2个

u夸克和

1个

d夸克将会有

+

32

、+

32

和

.13

的电荷，总

和为

1，而组成

1个质子。另一方面，

2个

d夸克和

1个

u夸克会

有

.13

、

.13

和

+23

的电荷，总和为

0，而组成

1个中子。

3个夸克以电荷总和为整数的方式聚合在一起。所以

2个反

u夸克和

1个反

d夸克，电荷总和是-1，将会形成

1个反质子。

而

2个反

d夸克和

1个反

u夸克，总电荷为

0，形成

1个反中子。

因为核相互作用的关系，夸克结合得十分紧密，所以到目前为

止，科学家完全没有办法把中子和质子击碎成个别的夸克。事实

最新科学指南（上）

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上，有人认为夸克之间的吸引作用随距离的增长而增大，所以没有

任何办法可以将质子或中子分解开。如果是这种情况，那么分数

电荷可能存在，但永远也不会被探测到，这样盖耳曼这个突破的想

法就比较容易为人们所接受了。

这两种夸克不足以解释所有的重子或介子（介子由

2个夸克

所组成）。盖耳曼提出第

3种夸克，现在称之为

s夸克。这个

s的

意思是“旁边”（为了和上、下配合之故），但常被认为代表的是“奇

异性”，因为

s夸克常被用来解释某些所谓奇异粒子的结构。之所

以称之为奇异，是因为它们实际的寿命较预测的长。

最后，物理学家由研究夸克假说而认为夸克一定成对存在。

如果有一个

s夸克，那么就一定有一个伴随夸克，称之为

c夸克。

c代表的意义不是“同伴”，而是“魅力”。1974年，美国物理学家

B. 里克特和丁肇中各自独立地研究，用高能分离出了需要

c夸克

性质的粒子（这些就是具有“魅力”的粒子）。他们二人共同获得了

1976年的诺贝尔物理学奖。

成对的夸克也有各种风味，在某些情况下，它们和轻子的风味

很相似。每一种风味的夸克都有

4个成员，例如

u夸克、

d夸克、

反

u夸克和反

d夸克，正如每一种风味的轻子都有

4个成员一样，

例如电子、中微子、反电子和反中微子。夸克和轻子一样都有

3种

已知的风味：轻子是电子、

μ介子和

τ介子；夸克是

u夸克及

d夸

克、s夸克及

c夸克，最后是

t夸克和

b夸克。

t夸克和

b夸克真正

代表的是“顶”和“底”，在科学家的幽默中，又代表了“真”和“美”。

夸克和轻子一样，似乎只有小点一般大小，并且是没有结构的最基

本粒子。但我们并不确信是如此，因为我们曾经被这种想法愚弄

过，起先认为原子是基本粒子，后来又认为中子是基本粒子，结果

都不是。夸克和轻子都可能有无数的风味，只要我们能掌握更大

的能量，就可找到它们。

第七章 粒 子

第七章 粒 子

夸克和轻子的最大区别是轻子带有的电荷必为整数，或者不

带电荷，而且轻子不会互相结合。但是夸克带有的却是分数电荷，

而且明显地仅以组合的方式存在。

夸克依据某些规则而组合。每一种不同风味的夸克有

3种不

同的性质，这是轻子所没有的。这个性质被称为颜色（只是打个比

方），而

3种性质被称为红、蓝、绿。

当

3个夸克结合在一起形成

1个重子时，必须

1个是红的，1

个是蓝的，

1个是绿的，这样的组合便没有颜色或说是白色。这就

是为什么用红蓝绿三色为性质命名的原因。因为在我们的世界

中，例如电视中，这三种颜色的组合就产生白色。当

2个夸克结合

在一起形成介子时，一个是一特别的颜色，另一个则是这一特别颜

色的反颜色，它们的组合仍然是白色。轻子没有颜色，从一开始就

是白色。

正如分数电荷这个性质不会在夸克的产物中出现一样，夸克

的颜色也不会在其产物中发现，这种由颜色研究夸克组合的方式

称为量子色动力学（由这个词可回溯到一个在电磁相互作用中相

当成功的理论，即量子电动力学）。

夸克是由一交换粒子不断地前后运动使它们结合在一起的，

这个粒子叫做胶子。胶子有它自己的颜色，这更增加了复杂性，它

们又可互相结合而形成一种被称为胶球的产物。

虽然强子不能分成独立的夸克（介子有

2个夸克，重子有

3

个），但仍然有间接的方式证明夸克的存在。只要有足够的能量被

集中在一微小体积内，夸克便能由一无所有开始形成，例如把高能

的电子流和正电子流撞击在一起形成

τ介子便是如此。

由这种方式产生的夸克会立即结合到沿相反方向离开的强子

注和反强子注中去。如果能量足够大的话，将会形成类似三叶苜

蓿的三道粒子注——强子注、反强子注和胶子注。强子注和反强

最新科学指南（上）

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子注已经由实验形成，1979年，有人声称在其实验中胶子注已经

出现了雏形，这将是对夸克理论的一大支持。

场

粒子的质量是球形向外无限伸展的引力场的源，而场的强度

则与离源距离的平方成反比。

考虑个别粒子造成引力场时，其强度是无法想象的小，小到在

讨论粒子相互作用时完全可忽略不计。但是质量只有一类，而且

两个粒子间的引力相互作用似乎总是吸引作用。

而且，一个由多个粒子所组成的系统，从该系统以外的一点来

看，其引力场是所有组成粒子单个引力场的总和。像地球或太阳

这样大的物体所产生场的强度犹如在物体重心处一个含有物体整

个质量的粒子所造成的引力场的强度。只要这物体是球形而且密

度均匀，或是密度由中心向外的变化是严格呈球对称的，则上述说

法就完全正确，所以对太阳和地球这样的物体来说当然也算正确。

因此太阳和地球都有极强的引力场，它们之间互相作用，吸引

住对方，虽然相隔

15 000万公里仍然相当牢固地聚集在一起。虽

然银河系星体分布有数百万光年的范围，也因引力而能聚集在一

处，如果宇宙开始再度收缩，那也是作用距离达数十亿光年的引力

吸引的结果。

带有电荷的粒子是电磁场的源。电磁场由中心向外任一方向

无限地伸展，强度随中心距离的平方而减弱。既具质量又带电荷

（任何电荷都具有质量）的粒子当然就同时是引力场的源了。

电磁相互作用

任一带电粒子所造成的电磁场强度是其引力场强度的几个

第七章 粒 子

第七章 粒 子

1036倍还要多。然而电荷有正电荷和负电荷两种，电磁场也表现

出吸引和排斥两种作用。当一系统内的正负电荷个数一样多时，

电荷趋于中性，系统外不会呈现有电磁场。一般完整的原子都由

相同数目的正负电荷组成，所以原子都呈现出电中性。

当多余的电荷出现时，电磁场也就产生，但是因为异性电荷互

相吸引的作用，使得多余的电荷非常少。因此讨论到比小行星更大

的天体时，电磁场的大小根本无法和引力场比较。故牛顿只以引力

相互作用来解释太阳系的天体运动，结果也相当令人满意，这种解

释方式也可推广至恒星和星系的运动上。

电磁相互作用在太阳系的形成中也扮演了一个不可忽视的角

色。例如由太阳至行星的角动量传递，及由小粒子形成环绕土星

的土星环等过程中，电磁相互作用都不能被忽略，这些都是相当微

小的修正。

每一个强子（包含介子和重子及组成它们的夸克）都是一个向

外无限伸展的力场源，强度却随距离急剧减小，以至于在原子核大

小的区域外就无法察觉。在原子核中具有压倒性优势的力场，即

使在

2个高速粒子以原子核大小的距离相互掠过的情形下，一样

相当强大，但是当两者距离大于原子核直径时力场就可忽略不计。

这种力场对一般天体的运动可以说毫无影响，但是对于星核内的

活动，却相当重要。

轻子同样具有一个只有原子核距离才能察觉到的力场源。事

实上，轻子的力场范围甚至较强子力场来得小。它们同属核力场，

但它们之间有极大的不同，不只是造成力场的粒子不同，而且强度

也不同。强子造成的力场，在粒子与粒子之间其场强为电磁场强

度的

137倍。轻子造成的力场仅为电磁场强度的

10-11。因此强

子力场通常称为强相互作用。而轻子力场均称为弱相互作用（注

意，弱相互作用与强相互作用及电磁相互作用相比之下，虽然微

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弱，但仍然约为引力相互作用强度的

1028倍）。

就我们所知，这四种相互作用已经能够解释粒子的所有行为，

也能解释各种可以测量的行为。目前没有第五种相互作用存在或

可能存在的任何迹象。我们说这四种相互作用能解释所有可测量

的现象，并不代表我们已经了解这些现象。这就好像与你可以知

道一个复杂的数学方程式有解，但是你却解不出的道理一样。

弱相互作用在

1934年首先由费密用数学方式处理，但是往后

数十年，它依然是四种相互作用中最不为人了解的一种。例如，这

四种相互作用都应有传递这些作用的交换粒子——传递电磁相互

作用的是光子，传递引力相互作用的是引力子，传递中子和质子强

相互作用的是

π介子，夸克间的强相互作用是胶子。所以在弱相

互作用中也应该存在一种

W粒子，W当然代表“弱”。半个多世

纪以来

W粒子一直是难以捉摸的。

守恒定律

我们建立了一些守恒定律，据以判断什么粒子相互作用是可

能的，什么是不可能的，或更一般地说，宇宙中什么可能发生，什么

不可能发生。如果没有这些守恒定律，宇宙中的事物将变得完全

无法理解。

核物理学家大约研究了一打守恒定律。有些是为人们所熟悉

的

19世纪的物理守恒定律：如能量守恒定律、动量守恒定律、角动

量守恒定律、电荷守恒定律。还有一些是人们不太熟悉的守恒定

律：如奇异性守恒定律、重子数守恒定律、同位旋守恒定律等等。

强相互作用似乎遵守所有上述的定律。在

20世纪

50年代早期，

物理学家毫不怀疑地认为这些定律不容变更，而且放诸宇宙皆准。但

是事实并非如此，在弱相互作用中，有些守恒定律并不被遵循。

第一个被推翻的守恒定律是宇称守恒。宇称是个纯数学上的

第七章 粒 子

第七章 粒 子

性质，无法以具体的字眼来形容，若把这个性质当作是一个与粒子

的波动性及其在空间中的位置有关的数学函数，大概就可以了。

宇称有两个可能的值——奇和偶。最重要的是，宇称曾经被认为

与能量和动量一样是一基本性质，所以必须服从守恒定律：在任何

反应或变化的前后，宇称维持不变。也就是说，当粒子作用形成新

的粒子时，在方程式两边的宇称必须平衡，正如质量数、原子数或

角动量必须平衡一样。

让我再加以说明，如果

1个奇宇称的粒子和

1个偶宇称的粒

子作用形成两个其他粒子，这两个新粒子必定有一个为奇宇称，另

一个为偶宇称。如果两个奇宇称的粒子作用形成另两个新粒子，

这两个新粒子必须同时为奇宇称或偶宇称。反过来说，如果

1个

偶宇称性的粒子衰变成两个粒子，这两个粒子必须同为奇宇称或

偶宇称。如果它形成

3个粒子，不是

3个粒子都是偶宇称，就是其

中

1个呈偶宇称，另

2个呈奇宇称。如果你用奇偶数来考虑的话，

你将会了解得更清楚。例如一个偶数只能是两个偶数或两个奇数

的和，但绝不会是一个奇数和一个偶数的和。

麻烦是由

K介子的衰变开始引起的，有时候

K介子衰变成

2

个

π介子（

π子具奇宇称，两个的和为偶宇称），有时候又产生

3

个

π介子（

3个的和为奇宇称）。物理学家于是下结论说有两种

K

介子，一个呈奇宇称，另一个呈偶宇称，分别命名为

τ（tau）介子和

θ（theta）介子。

但是除了宇称外，由任一方面来看，这两种介子都是相同的：

同样的质量，同样的电荷，同样的稳定性，每一种性质都一样。在

这些性质完全相同的情况下，很难相信它们会是两种不同的粒子。

有没有可能是宇称守恒定律出了差错，而它们实际上是同一种粒

子呢？这个说法，由两位美籍中国物理学家李政道和杨振宁在

1956年提出。他们认为，虽然宇称守恒定律在强相互作用中正

最新科学指南（上）

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确，但在像

K介子衰变这种弱相互作用中却会是错误的。

他们以数学方式证明上述的可能性。他们认为，如果宇称守

恒定律不起作用，弱相互作用中的粒子应该表现出的是手征性，手

征性首先由匈牙利物理学家维格纳在

1927年提出。让我解释一

下什么是手征性。

左手和右手是相反的，任何一只手都是另一只手在镜中的影

像：在镜中右手看起来是左手。如果手在各方面都对称，那么镜

中的影像和实际上的不会有任何差别，也就没有左右手的区别。

在图

7-9中，可见到手在镜中影像对称和反对称的说明。好，现

在我们把这个原理应用在发射出电子的一组粒子上。如果向所有

方向发出的电子数都一样，这些粒子当然不会有手征性问题，但是

如果大部分的电子倾向于一个特殊的方向，比如说是往上的比往

下的多吧，那么这些粒子便是不对称。它表现出手征性，因为如果

我们观察镜中的发射情况，这个特殊方向恰好被反转过来。

现在要做的是观察在弱相互作用中发射出电子的一些粒子，

例如某些以

β辐射进行衰变的粒子，看看电子的发射是否会有一

优先的方向。李政道和杨振宁要求在哥伦比亚大学工作的实验物

理学家吴健雄进行这个实验。

吴健雄安排了所需的实验条件，她把所有发射电子的原子在

同一方向排成一列，以便探测各个方向的电子发射；探测方式是使

用电磁场，而且放射性物质保持在接近绝对零度。

在

48小时内，实验的结果出来了，电子确实不是对称的发射。

宇称守恒在弱相互作用中并不适用。于是θ介子和

τ介子实际上是

同一粒子，只是有时以奇宇称衰变，有时又以偶宇称衰变。很快，其

他实验也证明了宇称的错误。这两位理论物理学家——李政道和

杨振宁，因为这个有胆略的猜测，1957年荣获诺贝尔物理学奖。

既然在弱相互作用中对称性并不正确，或许在其他地方也不

第七章 粒 子

第七章 粒 子

7-9用手说明镜像对称与反对称

适用。整个宇宙或许是左手性的，或许是右手性的。或许真有两

个宇宙，一个左手性，另一个右手性；一个由物质所组成，另一个则

由反物质组成。

物理学家现在对守恒定律的态度变得有点犬儒哲学。因为任

一守恒定律都可能像宇称守恒定律一样，在某些情况下适用，而在

其他情形下却不正确。

宇称失效后，便和电荷共轭联成一个更为深入而普遍的守恒

定律： CP守恒。电荷共轭是亚原子粒子另一数学上的性质，这个

性质决定 1个粒子为粒子或是反粒子。 CP守恒的产生并非是空

前的，我们将在下一章看到，质量守恒也服从于更深层、更具普遍

性的质能守恒。

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然而

CP守恒也不完全正确。

1964年，两位美国物理学家

V. L.菲奇和克罗宁指出，在弱相互作用的少数情况下，

CP守恒并

不成立。所以时间的方向性也被考虑进去，而称之为

CPT对称。

因此

V. L.菲奇和克罗宁在

1980年共同得到诺贝尔物理学奖。

统一场论

为什么要有四种不同的力场、四种不同的粒子相互作用呢？当

然也许不只四种，但是以科学上的观点来说，要求简单化已经根深

蒂固。如果必须有四种相互作用，或更多，为什么这些相互作用不

可能只是一个力场或是一个相互作用的不同表现方式呢？如果确

实是这样，那么最好的方法是找出能够把它们全部表示出来的数学

关系，这样或许也可以揭开一些在它们的性质中原来可能不知道的

其他部分。例如在

100年以前，麦克斯韦研究出一组可用于电学和

磁学的数学方程式，而证明了电和磁是统一体的两面。现在我们就

直接称之为电磁场。难道我们就没办法继续简化力场了吗？

爱因斯坦在只知道有电磁相互作用和引力相互作用的时代研

究统一场论。他花了数十年的时间想结合这两种作用而终归失

败，在他研究的过程中，两种短程力场也已被发现，使这项工作倍

加困难。

然而在

20世纪

60年代末期，美国物理学家

S. 温伯格和巴基

斯坦的

A. 萨拉姆各提出一个涵容电磁场和弱力场的数学处理方

式，他们把这两种场合称为弱电场。这个处理方式后来为温伯格

的高中同学——美国物理学家格拉肖所完成。这个理论预测电磁

场相互作用和弱相互作用都应该会表现出中性流——某些不交换

电荷的粒子相互作用。这个预测是过去所未知的，后来在寻找中

发现，其中某些作用和预测的结果完全相同，这是支持这个新理论

的一个有力证据。温伯格、萨拉姆和格拉肖共同获得了

1979年的

第七章 粒 子

第七章 粒 子

诺贝尔物理学奖。

弱电理论也提出了弱相互作用中丢失交换粒子（半个世纪未找到

这种粒子）的细节。它们应该不只是

1种

W粒子，而是

3种：W+、W和

一种标为

Z0的粒子；即一种正，一种负，一种是中性的。只要弱电理

论是正确的，连这些粒子的某些性质都可被详细叙述出来。例如，它

们的质量应该是质子的

80倍，这可解释为什么它们如此无从捉摸，因

为需要庞大的能量才能探测到它们的存在。这种粒子的巨大质量使

弱相互作用的范围非常小，以致使两个粒子不可能彼此接近而产生弱

相互作用，这可解释为什么弱相互作用比强相互作用弱得多。

直到

1983年，物理学家才掌握到足够高的能量，而终于发现

了这三种粒子，质量和预测的完全相同。这项发现使弱电理论的

地位更加巩固。

同时，很多物理学家认为，包含电磁场和弱力场的同一个数学

体系，也足以涵容强相互作用，当然不可避免地会增加一些复杂

性。现在已经提出数种包含这

3种相互作用的理论。如果弱电理

论是个统一理论，那么同时包含了强相互作用的理论便可称为大

统一理论，通常缩写为

GUTs（因为这种理论不只一个）。

如果将强相互作用纳

GUTs，那么除了胶子外，一定尚有

12种

以上超重的交换粒子存在。因为它们比W粒子和Z粒子重得多，所

以将更难探测到，以我们现在的能力更是没有找到的希望。它们所造

成的力场范围，将比目前所考虑到的任一个力场都短得多。这些超重

交换粒子所造成的力场范围，小于原子核直径的

10-18。

如果这些超重交换粒子存在，它可能在质子中由一个夸克传

递到另一个夸克。而这种转移可能会湮灭其中一个夸克，使这个

夸克变成一个轻子。若质子中的一个夸克去掉了，将使质子变成

介子，最后衰变成正电子。

但是，除非夸克（是个点粒子）之间的距离紧密到这些交换粒

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子的作用力程内，不然这种交换是不会发生的。因为作用力程实

在是无法想象的小，即使在质子大小如此紧密的距离内，这种交换

作用还是不会发生。

事实上，已经计算出来，这种交换作用发生的次数实在是非常

稀少，所以质子平均可存在

1031年后才会发生衰变。质子的寿命

是宇宙目前年龄的

6×1020倍。

当然，1031年是平均寿命。有些质子存在的时间更长，有些则

较短。所以只要所研究的质子够多，每秒中总会有很多次的质子

衰变发生。比如说地球的海洋中每秒约有

30亿个质子发生衰变。

听起来好像很多，但是和海水中质子总数相比，实在是微不足道。

物理学家急于要把质子衰变从其他发生次数远为庞大的相似

衰变中清楚地区分出来。如果质子衰变能探测到的话，将成为

GUTs的一大证据；但是探测质子衰变和探测引力波一样，都是在

可能性非常有限的情形下进行的，因此无论是引力波还是质子衰

变的探测，显然都尚需一段相当长的时间才可能完成。

这些新的统一理论可以用来研究宇宙开始时大爆炸的详细情

况。就在大爆炸的一刹那，宇宙刚刚开始，存在小于

10-42秒，体

积比一个质子小得多，温度高达

1036度，此时只有一种力场，一种

粒子相互作用。随着宇宙的膨胀，温度下降，于是“冻结出来”不同

的场。

我们可以想象，地球在极热的时候只是个气体构成的球体，每

一部分都有相同的性质和同样混合均匀的原子。随着气体的冷

却，不同的物质由液体变固体逐渐分开，最后变成一个很多不同物

质分离地存在的球体。

引力相互作用到目前为止仍然不肯让步。似乎没有任何办法

能把引力作用包含在温伯格等人所研究的庞杂的数学体系之中。

统一场论爱因斯坦未能完成，他的所有继承者们迄今也未取得任

第七章 粒 子

第七章 粒 子

何成果。

虽然如此，

GUTs仍提出了相当令人感兴趣的问题。物理学

家们对大爆炸为什么能形成含有众多星系和星体的浩瀚的宇宙仍

然感到疑惑不解。为什么大爆炸的产物不能简单地朝四面八方扩

散成巨大的气体尘埃云呢？还有，为什么宇宙如此密集以致我们

无法确定它是开放还是闭合呢？宇宙可能开放过（负弯曲）或闭合

过（正弯曲），但现在却几乎是扁平的。

在

20世纪

70年代，美国物理学家古思主张，在大爆炸发生的

初期，有一段膨胀极为迅速的时期。在这样的膨胀宇宙中，温度下

降得很快，来不及使不同的场分开或不同的粒子形成。在宇宙已

经变得相当大的膨胀后期，这些差异才发生，宇宙也渐呈扁平，然

后才成团。

GUTs是仅由粒子推导出的理论，如果恰好能解释宇

宙诞生的两个谜，就会有力证明

GUTs是正确的。

诚然，膨胀宇宙的说法并未解决所有的问题，不同的物理学家

正以不同的方法予以修正，使预测和实际更能符合。不过这项工

作才刚刚起步，我们可预见将来一定会有某种完美的

GUTs和膨

胀理论出现。或许将来也会有人把引力作用包含在这个理论中，

而最终完成统一场论的工作。

（陈崇光 译）

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第八章 波

光

前面所讨论的是有形的事物，从大如银河到小如电子几乎都

已包含。然而还有一些重要的无形的事物未曾论及，其中人们知

道的最早而且最广为欣赏的就是光。《圣经》上上帝说的第一句话

就是“要有光”，创造太阳和月亮主要是作为光源：“要发光在天空，

普照在地上。

”

上古及中古时代的学者对光的性质可以说是一无所知。他们

猜测光是由发光的物体或者是由眼睛本身发射的微粒组成的。他

们所提出惟一的事实便是光以直线方式前进，也就是当光束照射

镜子而反射时，入射角等于反射角；另外，当光束从空气进入玻璃、

水或其他透明物质时会产生弯曲，也就是我们所说的折射现象。

光的性质

当光束以倾斜的角度射入玻璃或其他透明物质时，光束总会

被折向与法线成一较小角度的路径。入射角与折射角间的精确关

系，是在

1621年由荷兰物理学家斯涅耳首先计算出来的。当时他

并没有公布自己的发现，而另一位法国哲学家笛卡儿于

1637年独

立地发现了这一定律。

第二章中已经提到，1666年牛顿对光的性质率先做了一系列

第八章 波 449

第八章 波 449

他使一束阳光透过百叶窗的细缝进入黑暗的房间，并让光线

射到一块长方形三棱镜上。进入三棱镜的光束受到折射，而后从

三棱镜的第二个面出来时又向相同的方向进一步折射（这是由于

三棱镜的两个边呈一夹角而不像通常的玻璃片那样两边是平行

的，因此能使两次折射沿相同方向）。牛顿将这些透过三棱镜射出

的光束照射在一白色屏幕上，借以观察增强折射的效果。他发现，

所形成的不再是白光点，而是一条分成条状的颜色带，以红、橙、

黄、绿、蓝、紫的顺序排列。

牛顿由此推断，一般所谓的白光是由数种不同的光混合而成，

这些不同的光会分别影响我们的眼睛而产生不同的色觉。而那些

条状的颜色带，看起来虽然是那么具体实在，事实上却是无形的，

如同鬼魅一般，牛顿因此命名它为光谱，源自拉丁语“鬼魅”。

牛顿断定，光是由高速运动的微粒组成的。这样就能解释光

为什么直线前进并产生明显的阴影。光会被镜子反射是因为微粒

被镜面反弹之故，而光在进入玻璃、水等折射物质时路径会曲折，

则是因为光在这类介质中的运动速率比在空气中要快。

然而，还是有一些棘手的问题。比如说，为什么绿光微粒比黄

光微粒折射得要多呢？为什么两束光能交叉通过却不会互相影

响——也就是说粒子为什么不会碰撞呢？

1678年，荷兰物理学家惠更斯（一位多才多艺的科学家，曾制

造第一个单摆时钟，在天文学方面也有重要贡献），提出一个相反

的理论，他认为光是由小的波动所组成。假如光是由波所组成，只

要假设光在折射介质中的运行比在空气中来得慢，那么，解释不同

的光透过折射介质而有不同程度的折射就一点困难也没有了。折

射的程度与波长有关：波长愈短，折射程度愈大。因此紫光（折射

最多者）要比蓝光波长短，蓝光又比绿光短，依此类推。惠更斯认

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为，正是波长的不同才使眼睛看到不同的颜色。同时，假如光由波

所组成，两束光自然能毫无困难地交叉而不互相干扰（人们知道，

声波或水波交叉后是不会改变特性的）。

但是惠更斯的理论也并不是非常令人满意的。它并没有解释

光为什么以直线前进并投射出清晰的阴影，也无法说明为什么光

不能像水波及声波那样绕过障碍物。此外，假如光由波组成，光怎

么能在真空中运行？比方说光从太阳和星星发出经过空间而到达

地球，又是什么介质使光波动的呢？

上述两种理论几乎僵持了一个世纪。牛顿的微粒理论遥据上

风，一方面是因为总的来说它较合逻辑，一方面则是靠牛顿的鼎鼎

大名。但是，

1801年英国医师兼物理学家

T.杨做了一项实验，使

人们的观念发生了转变。他让一窄光束穿过距离极近的两个小孔

而投向后方的屏幕。假如光真是由粒子组成，那么透过小孔而投

射到屏幕上的两束光应该是重叠区域较亮，不重叠区域较暗，但是

T.杨发现事实并非如此。屏幕上产生一系列亮带，亮带间则夹有

暗带。在这些暗区内，似乎是两束光叠加成了暗色。

波动理论就能轻易地解释这一现象了！亮带表示一束光波为

另一束所增加；也就是说，这两组光波是同相的，波峰与波峰叠加

而相互加强。换句话说，暗带则是代表反相，波峰被抵消，也就是

在该处彼此相互干扰，使净光能为零。

从光带的宽度及两个小孔间的距离，我们就能计算出光的波

长——比方说，红光、紫光或介于其间的各色光的波长，后来发现

算出来的波长是相当小的。例如，红光波长算出来大约是

0.000 075厘米。光波的波长以埃为单位，1埃是

1厘米的

10-8。

因此，光谱一端的红光波长约为

7 500埃；另一端的紫光约为

3 900

埃；而可见光谱的其他色光的波长则介于其间。

光的波长极短是很重要的。光能以直线进行并投射出清晰的

第八章 波

第八章 波

影子，就是因为光的波长较一般物体要小得无法相比。只有那些

比光的波长大不了多少的障碍物，光波才能绕过去。举例来说，甚

至细菌都要比光的波长长得多，这就是为什么我们能用光学显微

镜清晰地观察到细菌的原因。只有那些大小接近光波波长的物体

（如滤过性病毒或其他亚微观粒子），光才能绕过。

若障碍物足够小，光波确实能绕过去，这是

1818年法国物理

学家菲涅耳证实的。在这种情形下，光产生了所谓的衍射花样。

举个例子来说，衍射光栅面上那些精细刻画的平行线就起着一系

列彼此增强的微小障碍物的作用。因为衍射量取决于光的波长，

所以产生出光谱。从光谱中任一部分或任一颜色光的衍射程度和

从光栅玻璃上刻画的平行线的已知间距，也能计算出光的波长。

夫琅和费是使用这类衍射光栅的先驱者，但这项创举却为自

己另一项更为出名的成就所掩盖，那就是他发现了光谱线。美国

物理学家罗兰发明了凹面光栅，并发展了在光栅上的刻画技术，使

2.54厘米内能刻有

20 000条线。他的这项成就在光谱学中取代

了三棱镜。

由于这些实验的成果，以及菲涅耳系统地解决了波动的数学

问题，光的波动论似乎已经确立，而粒子论则一败涂地——这显然

已成定局。

不仅光波的存在为人所接受，波长的测量也越来越精确。

1827年，法国物理学家巴俾涅建议用光的波长——一项不变的物

理量——作为长度的测量标准，以代替当时使用的各种带有随意

性的标准，这项建议直到

18世纪

80年代才有其可行性，当时，德

国血统的美国物理学家迈克尔孙发明了干涉计，能非常精确地测

出光的波长。

1893年，迈克尔孙测出镉光谱中红线的波长为

1/1 553 164米。

在发现元素是由不同的同位素组成，而每种同位素释放的射

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线波长略有不同时，用光的波长测量仍存在着不确定性。然而，随

着

20世纪的到来，同位素的光谱线已经可以单独地测量出来了。

20世纪

30年代，已测得氪

-86的光谱线。这种同位素是一种气

体，在低温下原子运动缓慢，这时测量，其光谱线才显得锐细不宽

粗。

1960年，国际度量衡会议把氪-86谱线定为长度基准。一米

重新确定为这一光谱线的

1 650763.73倍波长。这项标准把长度测

量的精确度提高了上千倍。旧的标准米尺棒顶多只能量到

10-6

米，而光波可以量到

10-9米。

光速

很明显，光是以极高的速率前进。假如你随手关掉灯，就会发

现四周立刻漆黑一片。声波的运动就没那么快了。假如你看到远

方有人在劈柴，你会发现斧头劈下后好一会儿才听到声音。声音

显然是经过了一段时间才传到耳中。事实上，声音的传播速率很

容易测定，在海平面的空气中，是每秒

332米（1 090英尺），即每小

时

1 200公里（750英里）。

伽利略是第一位尝试测定光速的人。他和助手分别站在两座

山上，开始时伽利略先将自己手提灯笼上所盖的布揭开，助手看到

光后也立刻揭开身旁灯笼的布。伽利略以愈来愈长的距离做实

验，并假设助手反应时间是始终如一的，那么他揭开自己灯笼再看

到助手回应的闪光，这段间隔所增加的时间，就是光要走额外距离

的所用的时间。这个想法很好，但是光速实在太快了，伽利略这种

粗糙的方法根本测不出任何的差值。

1676年，丹麦天文学家罗默反而成功地以天文距离测出了光

速。在观察木星的四个大卫星的星食状态时，罗默发现木卫食的

时间间隔随地球在公转轨道上远离木星而依次增长，而随地球接

第八章 波

第八章 波

近木星而减短。罗默推测，木卫食的时间差值反映了地球与木星

之间距离的差值，换句话说，木卫食的时间差值可以说是光在这段

时间里从木星传到地球所走距离的一种量度。罗默将木卫食发生

的最大时间差值作为光扫过地球轨道全宽所需的时间，并根据对

地球轨道大小的粗略估计，便算出了光速。他的估计为每秒

212 400公里（

132 000英里）。就第一次的尝试而言，已是相当接

近实际光速了，但是，这个数值已大得使罗默的同代人不敢相信

了。

罗默的实验结果经过半个世纪后，从一个完全不同的方面得

到证实。1728年，英国天文学家布拉德莱发现恒星的位置似乎因

地球的运动而有所偏移——并不是视差之故，而是因为地球绕太

阳运动的速度相对光速而言虽然很小，但仍然是可以测量到的。

相似的情形可见于大雨中撑伞过街的时候，虽然雨滴垂直落下，但

伞仍需向前斜撑，因为人是迎着雨走。走得越快，伞必须倾斜的越

厉害。同样的道理，地球也是迎着恒星射来的光线前进的，天文学

家必须将望远镜放得倾斜一点，还要随着地球运动方向的改变来

调整望远镜的角度。根据倾斜的角度（即光行差），布拉德莱估计

出光速约为每秒

283 200公里（

176 000英里）——比罗默的数据

更大而且更准确，但仍比标准值低了约

5.5%。

后来，科学家们改进了伽利略的原始构想，终于获得更为准确

的数值。1849年，法国物理学家斐索装了一套设备，使闪光射到

8

公里外的镜子后再反射到观察者处。闪光在这段往返

16公里的

旅程所耗的时间仅为

1/20 000秒，但斐索却有办法量出来。他把

一个快速旋转的齿轮放在光束经过的途中。当齿轮以固定速率旋

转时，由两齿间通过的闪光被镜子反射回来会碰到下一个齿上，因

此在轮子后面的斐索就无法看到反射回来的闪光了。当轮子逐渐

加速旋转时，反射回来的闪光就不会被挡住而会通过另外两齿间

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的空隙（见图 8-1）。如此，以这种控制和测量轮子转速的方法，斐

索就可获得光来回经过的时间，从而计算出光速。结果，他测出的

光速约为每秒 315 400公里（196 000英里），比实际高约 5.2%。

图 8-1斐索测定光速的装置。光被靠近光源的半透射镜反射，穿

过高速旋转的齿轮的一个齿隙，到达远处的反射镜（图的右边），再反

射到相邻的齿或齿隙

一年后，傅科（此时即将进行他的单摆实验，见第四章）以一面

旋转的镜子代替齿轮，使测量的精确度再度提高。现在光所经过

的时间是以快速旋转的镜子的反射角的少许改变而量得的。 1862

年，傅科所测得一次最好结果——光在空气中的速率是每秒

297 700公里（ 185 000英里），比实际光速仅低 0.7%。此外，傅科

还利用他的方法来测定光在不同液体中的速率。他发现光在液体

中的速率要比在空气中的光速小得多，这也与惠更斯的波动理论

相符。

光速的测量由于迈克尔孙的努力而更趋精密。他从 1879年

起改进斐索和傅科的方法，经过了 40多年，终于让光通过真空而

不是空气（即使空气也会稍微减慢光速）。迈克尔孙用一根长达

1.6公里并抽成真空的金属管，测得光在真空中的速度为每秒

第八章 波

第八章 波

图 8-2傅科测定光速的方法。他利用旋转的镜子代替了斐索的齿

轮，因而通过镜子旋转的角度即可求出光速

299 710公里（ 186 271英里），比实际光速只低了 0.006%。他还证

实各种不同波长的光在真空中的速度都是一样的。

1972年，埃文森所领导的实验小组，以更精密的方法测得光

速为每秒 299 728.367公里（186 282.395 9英里）。一旦如此精确

地知道了光速，用光或光的各种形式来测量距离就有可能了（即使

对光速还没有如此精确测定时，也是可以这么做的）。①

雷达

假设有一个短的光脉冲向外传播，碰到了某个障碍物反射回

来，被瞬间前的发射处接收到。若要满足这些条件，所需的是一种

波动形式，这种波的低频能穿透雾、雨及云层，其高频则能有效地

被反射。我们发现微波的波段最理想，波长介于 0.5厘米～101.6

厘米（ 0.2英寸～ 40英寸）之间。根据脉冲发射后经反射到接收的

时间，就可以估计出与反射物体之间的距离。

很多物理学家曾致力于应用此原理的设备，但是苏格兰物理

学家沃森 -瓦特却是第一位使之实用的人。 1935年，他已能利用

①根据 1983年第十七届国际计量大会的决议，现代真空中光速定义

为精确值：c=299 792 458 m/s。——ken777注

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微波的反射来追踪飞机，这套系统称为无线电探测与测距，按英文

短句的字首缩略而成雷达（目前，世界上使用缩略语愈来愈普遍，

特别是在科技方面）。

全世界开始知道雷达是在不列颠战役，当时英国人不论夜晚

或云雾都能侦测出纳粹飞机的来袭。所以英国的胜利至少有雷达

的一份功劳。

第二次世界大战后，雷达开始有许多和平用途。在天气预报

方面，它能用来探测暴风雨。同时还揭开了被称做天使的神秘反

射的面纱，原来这些“天使”并不是天上的使者，而是一群鸟，因此，

现在雷达也用来研究鸟类的迁移。

而且，如第三章所述，由金星和水星所得的雷达反射，使天文

学对这些行星的运转有了更新的认识，特别是提供了金星表面性

质的资料。

穿过空间的光波

虽然光的波动性质日渐明显，物理学家却仍为一个烦人的问

题所困扰。光在真空中究竟是如何传播的呢？其他的波，比如声

波，需有媒质才行。声波是由媒质的分子或原子前后振动来传播

的，通过振动我们才能听到声音（在地球上，我们绝对听不到来自

月球或太空的任何爆炸声，声音即使再大都没有用，因为声波无法

通过真空的空间）。然而光的传播不需要媒质，甚至没有媒质更容

易传播，而且可以从数十亿光年距离外的星系传到地球。而我们

知道，太空中是没有媒质可波动的。

经典的科学家对“超距作用”总是感到困扰。举例来说，牛顿

就对万有引力能透过空间施力感到烦恼。为了寻求可能的解释，

他只好再次提出一个希腊式的想法，认为整个天空充满了以太，并

推测万有引力是由以太以某种方式传播的。他避开光的问题，直

第八章 波

第八章 波

接假设光是由高速运动的微粒所组成，但当光的波动论逐渐被证

实时，他的这个构想就失败了。

为了说明光波能穿过太空，科学家们认定，光波同样必须借助

所谓的以太才能传播。他们创造出传光（载光）以太这个名词。但

这种说法立刻就陷入困境。光波是一种横波，它的波动与行进方

向垂直，好像水面的涟漪；相反的，像声波之类的纵波是沿行进方

向前后振动。现在的物理理论认为，只有固态媒质才能传播横波

（水面的横波是一个特例，但它不能穿透液体本身）。因此以太必

须是固态，既非液态又非气态——而且必须是非常刚硬的固体！

要传播光这么快的速度的波，它必须比钢更具刚性。此外，刚性的

以太还必须散布于日常的物质中——不仅充满真空，还要渗入气

体、水、玻璃以及其他一切光线能穿过的透明物质。最重要的是，

这种固态的超刚性的媒质必须是毫无摩擦而易于屈服的，以致它

丝毫不干扰最小的小行星运动或是眼睑的眨动！

然而尽管以太这一概念带来很多困难，它似乎还是有用的。

法拉第这位没有数学学历但极具智慧的科学家，提出了力线的概

念（沿同一力线的磁场强度相同）。他把力线想象为是以太的弹性

畸变，因此也用以太来解释磁现象。

在

19世纪

60年代，极为推崇法拉第的麦克斯韦，致力于以数

学分析来说明力线。他导出了四个简单的方程，这些方程几乎描

述了所有有关电和磁的现象，而且在

1864年改进后，不但可描述

电磁现象之间的关系，并证明电与磁是不可分的。哪里有一个电

场，则在其垂直方向上必定也同时有一个磁场，反之亦然。事实

上，只存在单一的电磁场（这就是对下一世纪的全部工作有极大影

响的最初的统一场论）。

麦克斯韦在探讨方程的含义时，发现电场的改变必定引起磁

场的改变，而磁场的改变又必定引起电场的改变，依此持续下去。

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这种交替变化使整个电磁场沿各个方向向外传播，结果产生了具

有波形性质的辐射。简言之，麦克斯韦预言了与电磁场变化频率

相同的电磁辐射的存在。

麦克斯韦甚至能够计算出电磁波的运动速率。他的做法是，

求出方程中与电荷间的力及磁极间的力有关的某些对应值之比

值，结果与光速完全相同。麦克斯韦认为这不仅仅是一个巧合。

光是一种电磁辐射，此外还有比普通光的波长长得多或短得多的

其他辐射，而所有这些辐射都与以太有关。

磁单极

然而，麦克斯韦方程留给我们一个至今尚未解决的难题。方

程强调电磁现象是完全对称的：对其一符合的对另一个也必然符

合。但在一个基本方面，二者似乎是有差别的，这种差别随着亚原

子粒子的发现与研究更加令人困扰。带有正电荷或负电荷但不是

同时带有两种电荷的粒子是存在的。因此，电子只带负电荷，而质

子只带正电荷。同样的道理，难道粒子不能仅带北磁极或南磁极

吗？然而，对于磁单极的寻找，长久以来都是徒劳无功的。每个物

体——不论大小，是星系还是亚原子粒子——都同时带有北、南两

个磁极。

1931年，用数学的方法研究这一问题的狄喇克断定，磁单极

若存在（即使全宇宙仅存在一个），则所有的电荷必须正好是某个

最小电荷的倍数——事实上确实如此。既然所有的电荷都正好是

某个最小电荷倍数，那么磁单极为什么不能存在呢？

1974年，荷兰物理学家胡夫特和苏联物理学家波利亚柯夫各

自从大统一理论推断出磁单极必定存在，并且它们的质量一定很

大。虽然磁单极可能比质子还小，但它的质量却可能为质子的

1016倍～1019倍。假如全挤入一个亚原子粒子内，它的质量将和细

第八章 波 459

第八章 波 459

这种粒子只有在大爆炸时才可能产生，此后再没有一种足够

大的富集能量来形成磁单极。这些巨大的粒子可能以每秒

240公

里（150英里）运行，巨大的质量和微小的体积组合在一起，可以使

磁单极穿越物质不留任何痕迹。这种性质可能就是磁单极迄今尚

未被探测到的原因！

然而假如磁单极穿过一线圈，它就会使线圈产生瞬间的电流

脉冲（这是法拉第首先演示的有名现象，见第五章）。假如线圈放

在常温中，脉冲闪失太快无法测得。假如此线圈是超导的，那么只

要温度足够低脉冲就能维持。

斯坦福大学的物理教授卡伯雷拉做了一个超导的铌线圈，并把

它与杂散磁场完全隔离，然后等了

4个月。在

1982年

2月

14日下

午

1点

53分时，线圈突然产生一股电流，几乎与磁单极通过时所产

生的电流完全相同

①。物理学家们正在设法建立能肯定这一发现

的装置，要等到他们成功，我们才能说磁单极已被探测到了。

绝对运动

我们再回头看看那无往不克的以太理论，它终于在一项实验

中惨遭失败。这项实验是为了证明另一个与超距作用一样困扰的

问题——绝对运动而进行的。

19世纪时，事情已经很清楚，太阳、恒星以及宇宙中所有物体

都在运动。那么，在哪里才能找到一个静止的参考点，一个能确定

绝对运动（牛顿运动定律的基础）的绝对静止的参考点呢？其中有

一种可能，牛顿曾提出，空间结构本身（可能是指以太）是静止的，

①由于这一实验在以后的多次实验中未被重复，因此已否定这一实验

的真实性。——译注

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因此人们可以说绝对空间。如果以太是静止不动的，也许人们可

以从确定物体与以太的相对运动来找到物体的绝对运动。

19世纪 80年代，迈克尔孙提出一个精妙的构想来看到底是

否如此。他推理说，若地球真是穿过静止的以太运动，那么一束光

沿其运动方向射出再反射回来通过的距离，应比垂直运动方向射

出再反射回来为短。为了证实这一构想，迈克尔孙发明了“干涉

仪”。这种装置有一面半透射镜，能使迎面射来的光束一半透过，

另一半呈直角反射出去。然后再用两面镜子将这两束光反射到光

源旁边的目镜中。如果一束光运行的距离比另一束稍长，到达目

镜时就会有相位差而形成干涉带（见图 8-3）。这个仪器对长度差

图 8-3迈克尔孙干涉仪。一面半透射镜（图中央）将光束分为两半，一

半被镜面反射，一半穿过镜面一直向前。如果两面反射镜（右边和正前

方）反射的光束所行的距离有差别，那么两束反射回来的光到达观察者

处就反相位

的测量极为灵敏——事实上灵敏到能测量出植物每一秒钟生长多

少，甚至能测出连最大的望远镜看去也仅为一些无线度点的星球

第八章 波

第八章 波

的直径。

迈克尔孙的计划是，让干涉仪相对于地球的运动指向不同的

方向，再根据分开的光束与反射回来的光束反相位的多少，来检验

以太的效应。

1887年，在美国化学家莫利的协助下，迈克尔孙做了一套特

别精巧的实验设备。他们把仪器安置在浮于水银面上的石板上，

因而仪器能够朝任何方向平滑地随意转动，然后朝着与地球运动

不同的各个方向投射光束。结果发现竟然没有任何不同！不论迈

克尔孙和莫利把仪器指向什么方向，也不论他们做多少次实验，干

涉带都不改变（这里要说明的是，近来人们以同的方法用更精密

的仪器进行实验，仍然得到相同的否定结果）。

物理学的基础动摇了。或是以太随地球一起运动，这是毫无

意义的；或是也许根本就没有以太这种东西。不管是哪一种情况，

绝对运动或绝对空间都不存在。于是牛顿的物理学失去了根基。

但在通常的世界里，牛顿物理学仍然适用：行星仍按万有引力定律

运动，地球上物体的运动仍然遵循他的惯性定律以及作用与反作

用定律。只是他的经典理论不完整，而物理学家也要准备发现与

经典“定律”相违背的现象。不论是新观察到的还是以前所观察到

的现象，都是不会变的，但是用来解释这些现象的理论却需要扩展

和改进。

迈克尔孙-莫利实验可能是整个科学史上最重要的一次“不能

证实”的实验。迈克尔孙于

1907年获得诺贝尔物理学奖——第一

位美国人得到诺贝尔奖，虽然得奖并不特别是因为这个实验的关

系。

最新科学指南（上）

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相对论

洛伦兹-斐兹杰惹方程

1893年，爱尔兰物理学家斐兹杰惹提出一个新奇的解释，说

明为什么迈克尔孙-莫利实验会得到否定的结果。他指出所有物

体都会沿运动方向收缩，同时收缩量随运动速度而增加。根据这

样的描述，干涉仪会在地球的“真正运动方向”上变短，其量恰足以

弥补光束运动距离的差距。此外，包括人类感官在内的所有测量

器具都有同样的“缩小”现象，因此，假如我们与物体一同运动，就

无法测出缩小现象了。斐兹杰惹的见解令人觉得大自然好像为了

不让我们测量绝对运动，故意产生一种效应，抵消我们可能用来探

测绝对运动的一切差值。

这种恼人的现象被称为斐兹杰惹收缩。斐兹杰惹并由此导出

一个方程。一个以每秒

11.26公里（

7英里）速度飞行的物体（现在

最快的火箭大约就是这个速度），在飞行方向上的收缩比约仅为

2/108。但是，在真正的高速时，收缩量就相当可观了。每秒

150 000

公里（

93 000英里）时（光速的一半），收缩量是

15%；每秒

260 000公

里（

163 000英里）时（光速的

7/8），收缩量是

50%：也就是说，

0.304 8

米（

1英尺）长的直尺若以每秒

260 000公里的速度通过，我们会觉得

它只有

0.152 4米（6英寸）长——前提是我们不随尺子运动以及我

们知道尺子通过时如何测量。若在光速时，也就是每秒

299 784公

里（186 282英里），尺子在运动方向的长度为零。因为不可能有比零

还小的长度，因此得到这样的结论，真空里的光速是宇宙中的最大

可能速度。

荷兰物理学家

H. A.洛伦兹随即把斐兹杰惹的想法更推进一

步。根据当时所研究的阴极射线，洛伦兹推断，若是带电粒子的电

第八章 波 463

第八章 波 463

。

H. A. 洛伦兹提出一个质量增加的方程，结果与斐兹杰惹的长

度缩短方程极为类似。每秒

150 000公里时，电子质量将增加

15%；每秒

260 000公里时，增加

100%（也就是说，质量将加倍）；

若为光速时，质量为无限大。我们再一次发现要比光速更快是不

可能的，怎么可能有比无限大还要大的质量呢？

斐兹杰惹的长度效应和

H. A. 洛伦兹的质量效应彼此关系是

如此密切，以致他们导出的方程常被合称为洛伦兹

-斐兹杰惹方

程。

一个静止的观察者测量随速度而引起的质量改变要比测量长

度改变容易得多。电子质量与电荷的比值可由它在磁场中的偏转

来决定。电子的速度增加，质量也会增加，但是没有理由认为电荷

也会增加；因此，电子的质量与电荷的比值应当增加，而其路径将

偏转得少。1900年，德国物理学家考夫曼发现，这个比值随速度

而增大的方式可以表明，电子质量的增加正好同洛伦兹

-斐兹杰惹

方程预测的一样。后来更精确的测量证实，两者是完全一致的。

在讨论光速为最大速度时，我们要记住，这是指光在真空中的

速度（每秒

299 784公里），这是非常重要的。在透明媒质中，光运

行得较慢。光在媒质中的速度是真空中速度除以该媒质的折射率

（光束由真空中倾斜地进入媒质时折射程度的一种量度）。

在水中，折射率约为

1.3，光速就是

299 784除以

1.3，也就是约为

每秒

230 603公里。在玻璃中（折射率约为

1.5），光速为每秒

199 856

公里；而在钻石中（折射率

2.4），光速只有每秒

124 910公里。

辐射与普朗克的量子论

亚原子粒子在某种透明媒质中的运动速度有可能大于光在该

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媒质中的速度（当然无法大于光在真空中的速度）。以此方式运动

的粒子，会向后抛放浅蓝光的尾迹，如同超音速飞机会向后抛放声

波尾流一样。

这些辐射现象是由苏联物理学家切伦科夫于

1934年观察到

的。1937年，苏联物理学家

I. M. 夫兰克及塔姆提出了理论上的

解释。这三个人于

1958年因此分享了诺贝尔物理学奖。

人们为了探测切伦科夫辐射设计了粒子探测器，这种切伦科

夫计数器特别适于研究高速粒子，例如构成宇宙射线的粒子。

正值物理学的基础因迈克尔孙

-莫利的实验及斐兹杰惹的收

缩现象而动摇不稳时，又发生了第二个爆炸性事件。这回令人头

痛的问题是物质加热后所产生的辐射。虽然目前所谈的辐射形式

皆为光，但科学家们称之为黑体辐射，就是说，他们在设想一种能

完全吸收所有的光的理想物体——像黑色物体一样完全不反射

光，反过来，也会理想地放出波长范围宽广的辐射。奥地利物理学

家斯忒藩在

1879年证实，一个物体发射的总辐射仅与其温度有关

（与物质特性无关），而且，在理想状态下，总辐射与其绝对温度的

四次方成正比；换句话说，绝对温度加倍将使总辐射增大为

2×2×2×2倍或

16倍（斯忒藩定律）。同时还知道，随着温度的增

加，主要的辐射会向较短波长移动。比方说，假如我们加热一块金

属，最初放射的主要为不可见的红外线，加热后是暗红色光，再后

是鲜红色、橙黄色、黄白色，最后，若是保持不被蒸发，发出的将是

青白色的光。

1893年，德国物理学家维恩研究得出一种理论，以数学方法

表示黑体辐射的能量分布——即每个特定波长范围释放的能量分

布。这个理论提供了一道公式，能把光谱中紫光区域的能量分布

描述得很精确，但对红光区域却不佳。维恩由于对热的研究的殊

多贡献，而于

1911年得到了诺贝尔物理学奖。在另一方面，英国

第八章 波 465

第八章 波 465

德国物理学家普朗克解决了这个间题。他发现，若要让方程

与事实相符，必须引用一个全新的观点。他认为辐射是由许多小

单位所组成，正如同物质是由原子所组成一样。他把这种辐射的

单位称为量子（拉丁原文意指“有多少？

”）。普朗克主张，辐射仅能

以整数的量子来吸收。此外他还主张，量子的能量由其波长所决

定，波长愈短，量子的能量愈大。换句话说，量子的能量与波长成

反比。

现在可以把量子和某种辐射的频率（每秒中发射的波数）直接

联系起来了。辐射频率和量子能量一样都与辐射的波长成反比。

波长愈短，一秒钟内发射的波数愈多。若频率与量子能量皆与波

长成反比，那么频率与量子能量将互成正比了。普朗克将这种关

系用一方程来表示（此方程现在极为有名）：

e=hv

符号

e代表量子能量；

ν（希腊字母

nu）代表频率；

h是普朗克

常数。这样就把量子能量与频率的比例关系表示出来了。

h的数值极小，量子也是极小的。辐射的单位小到让人觉得

光是连续的，如同日常物质看起来是连续的一般。但在

20世纪

初，辐射遭到和物质在

19世纪初同样的命运：现在人们才承认它

们是不连续的。

普朗克的量子论澄清了温度与辐射波长的关系。紫光的量子

能量为红光量子的两倍，因此，产生紫光量子自然要比产生红光量

子需要更多的热量。根据量子理论推导出来的方程，能够十分精

确地解释光谱两端的黑体辐射。

后来普朗克的量子论发挥了更大的作用：它能说明原子、原子

最新科学指南（上）

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内的电子、原子核内的中子等粒子的行为。现在，我们常把量子论

之前的物理学称为经典物理学，而把量子论之后的物理学称为现

代物理学。普朗克于

1918年获得诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦的粒波理论

当普朗克于

1900年首次发表他的理论时，并未使物理学家留

下深刻的印象。因为这个理论太革新了，人们一下子接受不了。

普朗克本人似乎也被自己的发现所震惊。但事隔五年，一位年轻

的德国出生的瑞士物理学家爱因斯坦证实了量子的存在。

德国物理学家

P.勒纳曾发现，当光撞击某些金属时，会使金

属表面放出电子，好像是光的力量把电子从金属表面给赶了出来。

P.勒纳将此现象命名为光电效应，并因此项发现于

1905年荣获

诺贝尔物理学奖。当物理学家们也从事这个实验时，他们惊奇地

发现，增加光束强度并不会使被赶出来的电子增加任何能量。但

改变波长就有影响了。比方说，蓝光就比黄光更能使被赶出来的

电子速率更快些。一束微弱的蓝光确实比一束强烈的黄光赶出来

的电子少，但蓝光赶出的电子却总是比黄光赶出的电子速率大。

此外，不管是多强烈的红光，对某些金属就是无法把电子赶出来。

所有这些现象都不能用原有的光学理论来解释。为什么蓝光

能做的事情，红光却不能？

爱因斯坦从普朗克的量子理论中找到了答案。电子要想吸收

足够能量来脱离金属表面的话，撞击它的量子要有某个特定的极

小量值。若原子吸持电子的能力很弱（如在艳金属中），红光的量

子就够了。若原子吸持电子的能力较强，将需要黄光或蓝光，甚至

紫外线。不管是哪一种情况，量子能量愈大，赶出来的电子速度就

愈大。

在此，量子理论轻而易举地解释了一种物理现象；而量子理论

第八章 波

第八章 波

以前的光学理论却无能为力。量子力学在其他应用上也日益突

出，欣欣向荣。爱因斯坦由于对光电效应的解释（不是因为相对

论），于

1921年获得诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦于

1905年提出狭义相对论。这是他在瑞士专利局

担任检验员期间利用业余时间研究出来的。他发展了量子理论，

提出一个新的宇宙基本观点。他认为光是以量子的形式在空间运

行（光的基本单位光子这个词是康普顿于

1928年提出的）。于是，

光由粒子组成的概念又复活了。但这是一种新的粒子：它兼具波

动与粒子的性质，有时表现出波动特性，有时则表现出粒子特性。

这种说法曾经被认为是一种谬说，甚至被认为是一种玄想，好

像光的真正性质是完全不可能理解的。事实完全相反，让我举个

类似的情形吧：一个男人也有其多面性——丈夫、父亲、朋友、商

人，只是看在哪一种情况下罢了。你总不能希望他以父亲的举止

来对待顾客，或以商人的举止来对待妻子，而事实上他既不是矛盾

体，也不是两个人。

同样的道理，辐射兼具微粒与波动的性质。在某些方面，微粒

性质特别明显，在另一些方面，波动性质又特别明显。约在

1930

年时，玻尔率先提出一项理论，认为测量辐射波动性质的实验绝对

无法用来探试其粒子性质，反之亦然。一次只能处理一个问题，无

法二者兼顾。他称此为互补原理。这种双重性质比任何一种单一

性质更能令人满意地解释辐射。

光的波动性质的发现带来了

19世纪所有光学上的成就，其中

包括光谱学。但它也迫使物理学家设想出以太的存在。现在爱因

斯坦的粒波观点保住了

19世纪的全部成就（包括麦克斯韦方程），

却不必假设以太的存在了。我们可把辐射能穿过真空归因于其粒

子性，于是已被迈克尔孙-莫利实验否定的以太的观点现在可以

被埋葬了。

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爱因斯坦在他的狭义相对论中还提出了另一个重要的观念：

不论光源的运动如何，真空中的光速恒定不变。在当初牛顿的宇

宙观中，向着观察者移动的光束看来应比向任何其他方向移动的

光束速度要快。而在爱因斯坦的观点中，这是不可能发生的，他并

借此假设导出了洛伦兹-斐兹杰惹方程。他证明，

H. A. 洛伦兹只

用于带电粒子的质量随速度而增加的理论，能适用于任何其他物

体。爱因斯坦还推论，速度的增加不仅会使长度收缩与质量增加，

还能把时间变慢，换句话说，随着直尺的缩短，时钟也会走得慢些。

相对论

爱因斯坦理论的基本点就是否定绝对时间与绝对空间的存在。

下面的问题听起来似乎是在说胡话：假如没有一个起点，人类怎样

了解宇宙万物呢？爱因斯坦的回答是：只要选择一个参考系，把它

同宇宙的事件联系起来就行了。任何参考系（好比说，假设地球、太

阳或者我们本身是静止的）都同样有效，我们可以选择最方便的一

个。以太阳静止为参考系来计算星球的运行，较以地球静止为参考

系要方便，但这并不表示这样做更准确。

因此，时间与空间的测量只是“相对”于某一任意选择的参考系

而言——这也是爱因斯坦的理论称为相对论的原因。

为了便于说明，假设我们在地球上要观察某一奇怪的行星（

X

行星），大小和质量与地球相同，以每秒

262 300公里（

163 000英

里）相对于地球的速度从我们面前呼啸而过。在冲过的瞬间若是

能测量到它的大小，将发现它在运动方向上收缩了

50%。它会是

一个椭球而非圆球，同时，再经测量，质量将为地球的

2倍。

但对

X行星上的人来说，似乎他自己的星球是静止的，地球

却以每秒

262 300公里的速度从他的面前冲过，地球会呈椭球形

并且质量是他所在行星的

2倍。

第八章 波 469

第八章 波 469

由于这些不寻常的结论，相对论对宇宙中所有已知现象解释

起来至少与以前的理论一样好。但它却更为深入：用牛顿观点难

以解释甚至无法解释的现象，用相对论就很容易解释。因此，人们

一直认为，与其说爱因斯坦学说取代了牛顿学说，不如说是改进了

牛顿学说。牛顿的宇宙观仍然可以作为一种简化了的近似方法。

它在日常生活中甚至于在普通天文学上仍非常适用，如将人造卫

星送人轨道。但是在同步加速器中，加速粒子时，我们就必须考虑

爱因斯坦的质量随速度而增加的观念，才能使加速器运转。

时间-空间及时钟的佯谬

爱因斯坦的宇宙观把时间与空间如此紧密地结合在一起，使

得任一独立概念都变得毫无意义。宇宙是四维的，时间是其中之

一维（但性质与通常空间的维长、宽、高不同），这种四维融合常被

称为时－空。这个说法是由爱因斯坦的一位老师于

1907年首次

提出的，他就是

H. 明科夫斯基，一位俄国血统的德国数学家。

虽然相对论的奇妙提法适用于时间和空间，但爱因斯坦认为

时钟会变慢这件事至今在物理学家中仍颇有争议。爱因斯坦认

为，运动中的时钟比静止的走得要慢。事实上，所有随时间变化的

现象在运动中都比在静止中进行得慢，好像时间变慢了一样。在

普通的速率上这种影响根本看不到，但若速率为每秒

262 300公

里，在观察时钟飞过的人看来，时钟看上去走了

2秒，才滴答过去

1秒。若以光速运行，时间就静止了。

时间效应比长度和质量的效应更使人困扰。物体长度缩短一

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半再回到原状，或先加倍质量再回到正常状态，我们都无法观察到

那瞬间变化的痕迹，所以反对这个说法的也没必要再吵了。

但是时间却是可以累积的。假如

X行星上的时钟因高速使

它

1小时内只走了

30分钟，然后让时钟静止，时钟将恢复正常的

速率，但表示的时间还是慢了

30分钟！那么好吧，如果两艘船相

互通过，每条船都觉得对方以每秒

262 300公里速率运行，对方的

钟表会走慢一半，当两艘船再度相会时，船上的人都认为对方船上

的钟表要比自己的慢半小时。但两个钟表不可能一个比另一个

慢。到底会发生什么情况呢？这个问题就称为时钟佯谬。

事实上，这根本就不是一个佯谬。假如一艘船从另一艘旁飞

驰而过，船员们都断言对方的钟表走慢了，但哪一方的钟表“真正”

慢了并不要紧，因为这两艘船将永久分开了。我们无法把它们的

钟表在同一时间拿到同一地点来校对，这样佯谬就不会发生了。

事实上，爱因斯坦的狭义相对论也只能应用于匀速运动，所以我们

所说的只能是永久的分开。

假设两艘船互相闪过之后真的又回到一起，因而能够校对时

钟。为了发生这一情形，必须增加一些新的因素。譬如至少有一

条船要加速。假如

B船这样做，那末先要减速，然后绕一个大圈

子，把船头掉过来，对着

A船方向加速行驶，追上

A船。当然，

B

船可以选取参考系，认为它自己是静止的，于是，A船做所有的相

应改变，往后加速向

B船靠近。如果对宇宙来说只有这两艘船，

则对称性的确会使时钟保持佯谬。

但是对宇宙来说并不是只有

A船和

B船——这就破坏了对

称性。当

B船加速时，不仅是对

A船加速，而且也是对宇宙的所

有其他物体加速。如果

B船选择参考系时把自己看成是静止的，

那么它必须考虑，不仅

A船，而且毫无例外的所有的星系都相对

B

船本身加速。简言之，正是

B船成了宇宙的对立面。在这种情形

第八章 波

第八章 波

下，B船上的的时钟最后慢了半小时，而不是

A船上的时钟。

这个现象会影响星际旅行的观念。假如宇航员离开地球后加

速到接近光速，他们的时间流逝的速率比我们的慢得多。当到达

遥远的目的地再回来时，对他们来讲只是数周时间，但在地球上也

许已过了好几个世纪了。假如时间真随运动而减慢，人们可以在

有生之年到远方的星球去旅行，但却必须和自己那一代的人及他

所知道的世界说声再见，因为他回来时已是另一个未来的世界了。

引力与爱因斯坦的广义相对论

在狭义相对论中，爱因斯坦并未论及加速运动及万有引力。

这些他在

1915年提出的广义相对论中作了论述。广义相对论对

引力提出了完全不同的看法，认为这是空间的一种性质而不是物

体间的一种力。可以这么说，因为物质的存在，空间就被弯曲了，

而物体会顺着阻力最小的曲线前进。虽然爱因斯坦的这种想法颇

为奇怪，但却能解释一些牛顿引力定律所无法解释的事情。

牛顿引力定律的最大光耀就是在

1846年发发现了海王星（见

第三章）。此后，似乎就没有东西能动摇牛顿引力定律的地位了。

但有一颗行星运动却一直没法解释。水星每绕太阳一周，其最接

近太阳的一点，即近日点，都要改变，在水星绕着太阳旋转的过程

中稳定地向前推进。天文学家把这种不规则变化大都归因于邻近

行星吸引所引起的轨道摄动。

事实上，早期研究引力理论的人就已经感觉到，星球间的移位

引力所形成的摄动，最后可能会使太阳系脆弱的机制受到破坏。然

而，在

19世纪前叶，拉普拉斯证明太阳系并非如此脆弱。摄动有其

周期性，轨道的不规则变化在任何方向绝不会超过一定的量。因此

最后推论说太阳系是稳定的，而天文学家也较已往更加确信，只要

考虑摄动，所有特殊的不规则变化都可计算出来。

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这种假设却不适用于水星，即使考虑所有的摄动现象，还是无

法解释为什么水星的近日点每一世纪都会前进

43弧秒。由勒威

耶于

1845年所发现的这个运动并不大：经过

4 000年累积起来不

过月球的宽度而已，但这足以使天文学家为难了。

勒威耶认为，这种偏离可能是由比水星更接近太阳的某一未

发现的小星球所引起。天文学家寻找这颗猜想的行星（称为祝融

星），找了几十年，也有许多发现的报告，但后来证明都是错误的，

最后一致同意祝融星并不存在。

后来，爱因斯坦的广义相对论提供了答案。它证明每个旋转

星体的近日点都有一个牛顿所无法预言的运动。把这种新的计算

方式应用到水星时，完全与其近日点移位相符。比水星离太阳远

的行星其近日点移位量则较少。1960年，人们发现金星轨道的近

日点也以每世纪

8弧秒前进，也与爱因斯坦理论几乎完全相符。

给人印象更为深刻的是，只有爱因斯坦理论预言的两个意想

不到的新现象。首先，他认为较强的引力场会减慢原子的振动，这

种减慢能由光谱线向红色位移所证实（叫做爱因斯坦位移）。在设

法寻找一个足以产生这种效应的强引力场时，爱丁顿提出了白矮

星：光要离开这种致密的星体，必须克服白矮星表面的强大引力，

因此有可能探测到光失去的能量。1925年，第一位证实这种星球

巨大密度的

W. S.亚当斯，研究了白矮星的光谱线并发现了必要

的红移。

爱因斯坦第二个预言的证实过程就更加神奇了。他的理论认

为，引力场会弯曲光线。爱因斯坦计算出，一束正好掠过太阳表面

的光线会改变直线行进，弯曲

1.75弧秒（图

8-4）。但是怎样才

能检验这种预言呢？这么说吧，假如恒星在太阳的后面，日食期间

就能观察到星体恰好刚能离开太阳的边缘，并将它们所处的位置

和没有太阳干扰时的背景位置来进行比较，我们就可看到因光线

第八章 波

第八章 波

弯曲所产生的位移了。

图 8-4光波的相对论性偏差，这是爱因斯坦在广义相对论中提出的

因为爱因斯坦是在 1915年发表广义相对论的，因此一直等到

第一次世界大战结束后才来检验。1919年，英国皇家天文学会组

织了一个远征队，到普林西比岛去观察一次全日食，以验证爱因斯

坦的说法，该岛是西非外海的一个葡属小岛。恒星真的有位移现

象，爱因斯坦的观点再度得到证实。

根据同样的原理，若一颗恒星正好在另一颗之后，较远那颗星

的光会弯过较近的这颗星，使较远的恒星看来较实际为大。较近

的恒星就像是个引力透镜一样。但遗憾的是，恒星的可视性太小

了，以致于从地球上看去，由较近恒星遮住较远恒星的星食现象是

极其罕见的。但是，类星体的发现，又给了天文学家一线曙光。 20

世纪 80年代初期，他们注意到双类星体中的每一个有着完全相同

的性质。可以合理地假设，我们看见的仅是一个类星体，它的光线

被在我们视线上而我们看不见的一个星系（也可能是黑洞）所扭

曲。该类星体的像因而被扭曲，看上去成为双类星体（镜子的缺陷

对我们的成像也可能造成同样的效果）。

对广义相对论的验证

爱因斯坦的广义相对论早期所取得的胜利都是天文学方面

的。科学家们一直希望能在实验室中随意改变条件来验证他的理

论。1958年首次有了转机，德国学者穆斯堡尔证明，在特定情况

下，晶体能产生十分确定波长的 γ射线。通常，释放 γ射线的原子

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会反冲，从而加宽波长范围。在特定情况下，整个晶体的作用就像

单个原子：反冲分散到各个原子，实际上反冲降低殆尽，因此发射

出来的

γ射线的波长非常准确。这一准确波长射线束能被与产生

这一射线束的晶体类似的晶体高效率地吸收。如果

γ射线的波长

与晶体自然产生的

γ射线的波长稍有不同，就不会被吸收。这称

为穆斯堡尔效应。

假如这种

γ射线沿引力方向向下发射，广义相对论要求它获

得能量，所以它的波长会变短。只要下降数百米，它就会获得缩短

γ射线波长的足够能量，虽然波长缩短微乎其微，但对吸收的晶体

来说已经大得无法吸收了。

此外，如果发射

γ射线的晶体在发射的过程中向上运动，

γ射

线的波长将因多普勒-斐索效应而增加。可以调节晶体向上的速

度，使正好抵消引力对下落的

γ射线的效应，这样一来，当

γ射线

碰到晶体时就可以被吸收了。

1960年及以后，利用穆斯堡尔效应进行的实验都非常精确地

确认了爱因斯坦的广义相对论。到目前为止，这是最好的方法了；

因此，穆斯堡尔于

1961年获得诺贝尔物理学奖。

其他一些精密的测量也倾向于支持广义相对论，如有关雷达

波束通过行星和双脉冲星绕相互的引力中心旋转的行为等等。所

有的测量都不是明确肯定的，物理学家们作了种种努力想提出一

种更新的理论。但是在提出的所有的理论中，以数学的观点而言，

其中最简单的是爱因斯坦的理论。每当进行能够区分不同理论的

测量时（差值通常很小），似乎总是支持爱因斯坦的理论。虽然科

学家们在继续提出疑问（这是很正确的态度），但将近四分之三个

世纪以来，广义相对论依然屹立不动（请注意，怀疑的只是广义相

对论，狭义相对论却一再地以各种方法得到证实，如今已没有物理

学家对狭义相对论提出怀疑了）。

第八章 波

第八章 波

热

在日常经验中，我们看到一种经常伴随着光的现象，从蜡烛到

恒星，几乎所有的发光体在发光时都会放出热。

温度的测量

在近代以前，热还未用定量的方法研究过。那时人们只要说

“它是热的”，或“它是冷的”，或“这个比那个热”就足够了。要对温

度进行定量测定，首先必须找到随温度变化而均匀发生的一些可

测量的变化。人们从物质的热胀冷缩中找到了这种变化。

伽利略是试图利用热胀冷缩的原理来测量温度变化的第一个

人。1603年，他将装满热空气的玻璃管倒放在一碗水中，当管中

的空气冷却至室温时，空气收缩而且水柱升高，因此伽利略便得到

了他的温度计（由希腊字而来，意思是“热的测量”）。当室内温度

改变时，管内水柱高度也随之改变：如果室内温度升高，管内的空

气膨胀，促使管内的水柱降低；相反，如果室内温度降低，管内的空

气收缩，则会促使水柱升高。实验中惟一的困难是，插玻璃管的那

一碗水是暴露在大气中的，而大气压经常在变化。这种气压也可

独立于温度推动水柱上升或下降，混淆测量的结果。这种温度计

是第一个用玻璃制成的重要科学仪器。

到了

1654年，托斯卡纳地方的大公爵斐迪南二世研究出了一

种不受空气压力影响的温度计。这种温度计是将液体密封在一个

装有一根直管的球泡中，利用液体本身的胀缩来指示温度的变化。

液体的体积随温度的变化远较气体小。但是，由于有一个相当大

的贮液器和一个装满了液体的球泡，而液体膨胀时只能沿极窄的

管子上升，所以即使是极小的体积变化，也会使液体在管内有明显

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的升降。

英国物理学家波义耳同时也做同样的试验。他第一个证明人

体具有恒定温度，而且明显地高于室温。其他的物理学家则证明

一些物理现象要在特定的温度下才能发生。在

17世纪结束以前，

人们已经发现冰的融化和水的沸腾就是在特定的温度下发生的。

温度计内的液体最早是用水和酒精，由于水很容易冻结而酒

精很快就蒸发，所以法国物理学家阿蒙通便改用水银。他的装置

同伽利略的一样，也是利用空气的胀缩使水银柱升高或下降。

到了

1714年，德国物理学家华伦海特把斐迪南二世和阿蒙通

的优点结合起来，将水银密封在管子中，利用水银随温度的胀缩做

为指示器。不仅如此，华伦海特还在管子上设一个等级刻度表，使

温度可以定量地读出。

有人问，华氏是怎样得到他使用的温度计上的准确刻度的呢？

他把在实验室里所得到的最低温度设为零，是由盐和冰的混合液

测量而来。而后，他将纯水的冰点设为

32，沸点设为

212。这有两

个好处：第一，水的液态范围为

180，这很自然地和度联想在一起。

因为半圆恰好为

180度。第二，人体的温度精确值为

98.6华氏

度，约接近

100华氏度。

由于人的体温是恒定的，因此，如果一个人的体温高于这个恒

定温度，则称为发烧，人就会有生病的感觉。在

1858年，德国物理

学家冯德利希引进了一个方法，那就是时常检查体温来作为疾病

的指标。10年后，英国的物理学家奥尔巴特发明了体温计。这个

体温计在含水银的窄管中有一个狭口儿，当体温计含在口中时，水

银线将升高到一最高点，但是将体温计自口中移开后，水银面将不

会降下来。水银线从狭口处断开，从而保留水银线的读数。华氏

温标美国仍然使用，而在日常生活里，如天气预报和体温计，我们

也常常使用华氏温标。

第八章 波

第八章 波

然而在

1742年，瑞典天文学家摄尔西乌斯采用另外一种不同

的刻度标准。温度计的形式是将水的冰点定为

0，沸点定为

100。

由于水的液态范围占

100个刻度，所以这种温度计被称为百分温

标，这个词从拉丁字而来，意思是“一百步”。大多数人仍然称这种

刻度为百分度，但是在

1948年的国际会议上，科学家依照华氏温

度计的前例，以发明者的名字来重新命名，仍然保留

C的符号，以

摄氏温标和摄氏度为正式的名称。于是摄氏标准广为文明世界所

接受，甚至美国也试图使人们习惯使用摄氏温标。特别是科学家

们觉得摄氏温标方便。

热的两种理论

温度可用来测定热的强度，却无法测出它的数量。热通常会

从较高温处移到较低温处，直到两处温度相等为止，就像水总是从

较高水位流向较低水位直到水位相等一样。不管物体本身所含的

热量多少，热都表现出这种性质。虽然一个装满温水的浴缸所含

的热量比一根燃烧的火柴多许多，但是当火柴和水接近时，热是从

火柴转移至水，而不是由水转移至火柴。

在气体研究方面做出了重要成就的布莱克（见第五章），是第

一个将热和温度做了清晰区分的人。1760年，他宣布，不同的物

质吸收相同的热所升高的温度各不相同。如

1克铁升高

1摄氏度

所需的热量为同重量的铅升高

1摄氏度所需热量的

3倍，而铍在

相同情况下，所需的热量是铁的

3倍。

布莱克进一步证明，物质吸收热而温度却不升高是有可能的。

加热于融化中的冰，能使冰的融化速度加快，但温度却不升高。热

最终会将冰全部融化；但在融化过程中，冰自身的温度始终不会超

过零摄氏度。同样地，加热于

100摄氏度沸腾的水，只能使更多的

水蒸发，而水的温度在沸腾期间并未改变。

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在布莱克做实验的同时，蒸汽机也正在发展（见第九章），这更

加强了科学家对热和温度的兴趣，他们像以前思索光的本性一样

开始探索热的本质。

和光一样，热也有两种理论。第一种认为：热是一种物质，可

以从一个物体转移到另一个物体，并将这种物质命名为热素，这个

词来自拉丁文，意思是“热”。根据这种论点，当木头燃烧时，热素

就从木头转移至火焰，再从火焰转移至火上的茶壶，最后茶壶再将

此热素转移至壶内的水中，当水充满了热素后，水就转变成蒸汽。

在

18世纪末，两个有名的观察导致了另一个理论。这种理论

认为，热是一种振动的形式。其中一个观察是美国物理学家和冒

险家

B. 汤普森发表的。美国独立战争时他逃离美国，在英国获得

拉姆福德伯爵的名衔，然后到欧洲游历。

1798年，他在巴伐利亚

监造大炮镗孔时，发现有大量的热产生；同时发现这些热足够使

8

公斤（

18磅）的水于

3小时内沸腾。但这些热是从哪里来的呢？

B.汤普森断定，热一定是一种振动，由键床和炮身机械摩擦而形

成并被强化的振动。

1年后，化学家戴维做了一项意义更为重要的实验。他将两

块冰保持在冰点以下，然后将它们相互摩擦。为了不使其他的热

流入冰中，他用机器操作而不用手操作。由于仅利用摩擦力便使

得一些冰融化，因此，他也得出结论：热一定是一种振动而不是一

种物质。实际上，这个实验应该起决定的作用，然而热素说虽然很

明显是错的，却一直维持到

19世纪中叶。

热为能量

虽然热的本质被误解，科学家仍然知道了热的一些重要性质，

正如光的研究者在尚未了解光的本质以前就已经发现光的折射和

衍射等有趣的现象一样。

第八章 波

第八章 波

法国物理学家傅里叶和卡诺，分别于

1822年和

1824年对热

流进行了研究并取得了重大进展。实际上，人们通常认为卡诺是

热力学的创始人（热力学一词来自希腊文，意思是“热的移动”）。

卡诺将蒸汽机的运转建立在坚实的理论基础上。

到

19世纪

40年代，物理学家非常关心的一件事，就是蒸汽吸

收的热量可以转换成促使活塞移动的机械功。由一定量的热所得

到的功，是否有一定的限制呢？其可逆过程又如何：功如何转变成

热？

焦耳花了

35年的时间，把不同的功转变成热，并且小心翼翼

地重做以前拉姆福德伯爵做过的简陋实验。他测量由电流所产生

的热量。他用浆叶搅拌水和水银把它们加热，或者让水流过极窄

的管子使水发热。他也利用压缩的方法来加热空气等等。在每一

个实验里，他一一计算有多少功作用在这系统上，结果有多少热产

生。他发现做了一定量的功就可以得到一定量的热；也就是说，焦

耳确定了热功当量的理论。

因为热可以转变为功，因此必须把热看作是能量的一种形式

（这个词是从希腊字而来，意思是“含有功”）。电力、磁力、光和机

械运动都可以做功，所以它们同样具有能量的形式，而功本身也是

能量的一种形式，因为功可以转变成热。

“能量是守恒的，它既不能被产生，也不能被消灭”，对这一说

法从牛顿时代开始人们总是有点儿怀疑。热是能量的一种形式的

观念强调了这一说法。于是，移动的物体具有动能，这个词是

1856年由开尔文勋爵提出的。如果物体往高处移动，会因地心引

力而逐渐减慢，其动能也会逐渐消失。但是，随着物体动能的减

少，物体位置的能量却在增加；因为依靠物体高于地面的位置，当

物体往下掉落时，会重新获取动能。

1853年，苏格兰物理学家蓝

金将位置的能量命名为位能。在移动的过程中，物体动能和位能

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的总和（即机械能）似乎是不变的，这被称为机械能守恒。事实上，

机械能并不完全是守恒的，因为如摩擦力、空气阻力等因素会使机

械能减少。

焦耳实验证明的最重要的一点是，如果把热考虑在内，这种守

恒能够精确地计算出来，因为如摩擦力和空气阻力所减少的机械

能会以热的方式出现。将这种热考虑在内，人们可无条件的证明：

既没有新的能量产生，也没有旧的能量消失。

1842年，德国物理

学家

J. R. 梅耶首次清晰地阐明了上述的论点，但是他的实验未能

得到人们的支持，同时他缺少强有力的学历证书（以酿酒为业的焦

耳也因为缺少学历证书，很难发表他的精确的成果）。直到

1847

年，一个有足够声望的学者才将上述论点发表出来。在同一年，亥

姆霍兹发表了能量守恒定律：当一定的能量在某处好像消失时，一

定会有同量的能量在他处表现出来。这个定律也被称为热力学第

一定律。它仍然是近代物理学的一块基石，无论是量子论还是相

对论都没有使它受到影响。

任何形式的功都可以完全转换成热，但热却不能完全转换成

功。当热转换成功时，有些热是无法利用的，不可避免地要浪费

掉。例如蒸汽机运转时，只有在蒸汽温度不低于周围环境的温度

时，蒸汽热才可以转换为功；当其温度比周围环境低时，由蒸汽转

变成的冷水中虽然含有许多余热，但不能转换为功。而且，即使在

可以得到功的温度范围内，有些热也不转换为功，而是用来加热发

动机或者周围的空气，或者用来抵消活塞与发动机之间的摩擦力

等等。

在任何能量的转换中，例如电能转换成光能，或磁能转换成动

能，都有一些能量的浪费。这些浪费的能量并不是消失了，亦即并

不违背热力学第一定律，而是转换成热，散失在周围的环境中。

任何系统可作功的能力是它的自由能，在熵的测定中，可以显

第八章 波

第八章 波

示出无法避免而以热的形式损失的那部分能量。熵这个词是

1850年德国物理学家克劳修斯首先使用的。

克劳修斯指出，在任何含有能量流的过程中，总有一些能量损

失，所以宇宙的熵一直在增加，而熵的不断增加就是热力学第二定

律，有时被称为“宇宙的穷尽”或者“宇宙的热寂”。值得庆幸的是，

可供利用的能量（几乎全部由恒星供给，而恒星在以极快的速度

“穷尽”）是相当巨大的，足供各种用途使用几十亿年。

热和分子运动

随着对物质的原子性以及气体分子相互间及与器壁间连续碰

撞的认识，人们终于可以清楚地了解热的本性了。瑞士数学家伯

努利是一位走在时代前面的人，1738年，他试图用以上的观点来

解释气体的性质。19世纪中叶，麦克斯韦和玻尔兹曼（见第五章）

成功地解开了这一数学关系，并且建立了气体分子运动论。这个

理论表明，热相当于气体分子的运动。这样热素说终于受到致命

的打击。热被看作是一种振动现象：气体及液体中分子的运动，或

固体中分子的迅速往复振动。

当固体加热到其往复振动强烈得足以打断相邻分子间的键的

程度时，固体即熔化成液体。固体中相邻分子间的键结合得愈强，

则使其强烈振动而打断键所需的热量也愈多，因此这个物质有较

高的熔点。

液态中，分子可以相互自由地往返，当液体进一步加热到某一

程度时，分子就会有足够高的能量，使得它们完全离开液体表面，

液体即沸腾。同样，分子间的力越强，则沸点越高。

在固体变成液体的过程中，所有的热都用来打断分子间的键，

因此，正在融化的冰吸收的热量不会提高冰的温度。液体沸腾也

具有类似的情形。

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现在，我们很容易区分热和温度了。热是一定量的物质的分子

运动所包含的全部能量，而温度则代表这种物质分子的平均动能。

因此，2夸脱

60℃的水所含的热量是

1夸脱

60℃水的两倍（因为有

两倍的分子振动）；但是

2夸脱的水和

1夸脱的水具有相同的温度，

因为不论在哪一种情形下，分子运动的平均能量是相同的。

化合物本身的结构也含有能量，那就是键能，它使相邻的分子

或原子彼此拉在一起。如果这些键被打断而重新组成新的含能量

较少的键的话，多余的能量将以热或光或热光两者的形式释放出

来；有时候会因为能量释放的速度太快而导致爆炸。

我们可以计算出任何物质所包含的化学能，也可以测出在任

何反应中所释放的热量。例如，煤燃烧时，碳原子间及氧原子间的

键被打断，碳跟它们重新组合。新化合物（二氧化碳）的键能较原

来碳原子间及氧原子间的键能为低。我们可以计算出它们的能量

差，而这种能量差是以热和光的形式释放出来的。

1878年，美国物理学家吉布斯研究出了化学热力学，这个理

论十分详尽，使这门学科从假设一下子变得十分成熟。

吉布斯的长篇论文所描述的推论过程，远较其他美国学者所

持的论点高明得多。吉布斯本人经过相当时间的犹豫，才在《康涅

狄格科学院艺术与科学汇刊》上发表了这篇论文。甚至在此以后，

由于吉布斯本人羞怯的个性以及此篇论文中严密的数学论点，使

这篇论文一直束之高阁，直到奥斯特瓦

1883年发现这篇论文，将

它译成德文公诸于世，才显现出吉布斯对世界的重要贡献。

仅举一个例子来说明吉布斯理论的重要性。他提出的方程揭

示了同时存在于多于一个相的不同物质之间达到平衡时所遵循的

简单而严格的规律（即同时存在于固体及液体，或两种不相溶的液

体和一种蒸汽等等）。这个相律对冶金术和许多其他化学分支至

关重要。

第八章 波 483

第八章 波 483

随着

1896年放射性现象的发现（见第六章），立即引起了关于

能量的一个全新的问题。放射性物质铀和钍发射的粒子能量惊

人；居里夫人还发现，镭不断地放出大量的热。

28.35克（

1盎司）

的镭可持续地每小时发出

4 000卡的热量，而且这种发射可以成

年累月地继续下去。已知的最强的化学反应所产生的能量也达不

到镭所释放能量的

1/1 000 000。难道能量守恒定律被打破了吗？

同样令人吃惊的是，与化学反应不同，这种能量的产生与温度无

关。如在液态氢的极低温度下和在常温下产生的能量一样！

很明显，这里涉及的是一种全新的能量，和化学能是大不相同

的。幸好，物理学家很快地就找到了答案。这一次又是爱因斯坦

在他的狭义相对论里提供的。爱因斯坦对能量的数学描述表明，

可以把质量看成是能量的一种形式——一种非常集中的形式，因

为微小的质量可以转变成巨大的能量。

爱因斯坦关于质量和能量的方程已成为世界最著名的方程之

一，此方程为：

e＝mc2

其中，

e代表能量（单位为尔格），m代表质量（单位为克），而

c为光速（单位为厘米

/秒）。也可以用其他单位来运算，其结果性

质不变。

因为光速为

3×1010厘米/秒，所以

c2的值是

9×1020；换句话

说，1克物质能转换成

9×1020尔格的能量。尔格是能量的最小单

位，而不能用其他普通的词解释。我们可以从下列的叙述来了解

这个数字的意义，1克物质所转换的能量，可使

1 000瓦的灯泡持

续亮

2 850年；换句话说，此能量相当于

2 000吨汽油燃烧所能得到

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的能量。

爱因斯坦的方程完善了属于科学界中的一个神圣守恒定律。

拉瓦锡的质量守恒定律说，物质既不能被创造，也不能被消灭。事

实上，任何释放能量的化学反应都有极少部分的质量转换成能量：

假使以极精确的方式称重，会发现产物重量和原物重量并不完全

相等。但在通常的化学反应中，质量亏损太微小，对

19世纪化学

家而言，他们当时能利用的技术是无法探测出来的。然而，物理学

家现在面临的是一种完全不同的现象，放射性的核反应而不是煤

燃烧的化学反应。核反应释放出大量的能量，其亏损的质量也足

以被测出。

爱因斯坦以质能互换为出发点，将质量守恒定律和能量守恒

定律合成为质能守恒定律。热力学第一定律不仅因此站得更稳，

而且更无懈可击了。

阿斯顿利用质谱仪进行实验，证明质量能够转换成能量。质

谱仪可以根据磁场中原子核的偏转程度来精确测定原子核的质

量。阿斯顿在

1925年用改进的仪器证明，各种原子核的重量并不

恰好为组成这些原子的质子和中子的重量和。

让我们先来考虑一下这些质子和中子的质量。一个世纪以

来，原子和亚原子粒子的重量通常是以氧原子量正好

16.000 00

为基准来测量比较的（见第六章）。然而在

1929年，吉奥克提出氧

是由

3种同位素氧-16、氧-17和氧-18组成的，而氧原子量为这

3种同位素质量数的平均值。

可以确定的是，氧-16在这

3种同位素中是最常见的，它在所

有的氧原子中占

99.759%。因此，如果总的氧原子重量为

16.000 00，那么同位素氧-16的质量数几乎为

16（极少量氧-17

和氧-18的质量使它的值达到

16）。这一发现后，在一代人的时

间里，化学家并不为其所动，仍然使用旧的基准，后来称之为化学

第八章 波 485

第八章 波 485

物理学家的反应则不然。他们喜欢将同位素氧-16的质量定

为正好

16.000 0，并且依此标准来决定他种元素的原子量。在此

基础上建立了物理原子量。按照氧-16等于

16的标准，由于微量

较重同位素的影响，氧本身的原子量是

16.004 4。因此一般说来，

所有元素的物理原子量较其相对的化学原子量高约

0.027%。

1961年，物理学家和化学家达成协议，同意在以碳-12同位

素含有

12个质量数的基础上来确定原子的重量。这样就将原子

量建立在独特的质量数的基础之上，使原子量变得更为重要。另

外，这个基础上的原子量同在原有系统的原子量几乎完全一样。

这样，按照碳-12等于

12的标准，氧的原子量为

15.999 4。

那么，让我们以原子量等于

12.000 0的一个碳-12原子说

起。碳-12的原子核包括了

6个质子和

6个中子，从质谱仪的分

析测量可以清楚地得到，按照碳-12等于

12的标准，

1个质子的

质量为

1.007 825，1个中子的质量为

1.008 665。那么，6个质子

的质量应为

6.046 950；而

6个中子的质量应为

6.051 990；全加起

来，12个核子的质量应为

12.104 940。但是碳-12的质量却只有

12.000 00，那么损失的

0.104 940跑到哪里去了呢？

损失的质量称为质量亏损，损失的质量除以质量数即为每个

核子的质量亏损或称为敛集系数。质量并不是真正地消失，而是

按照爱因斯坦方程转换成能量，所以，质量亏损即为原原子核的结

合能。原子核分解成质子和中子时需要供给的能量等于结合能，

因为质量的数量等于可以形成的能量。

阿斯顿测定了许多原子核的敛集系数，并且发现从氢到靠近

铁的元素敛集系数迅速地增加，而周期表后面其余元素的敛集系

数又缓慢地减小。换句话说，周期表中间元素的每个核子结合能

最高。因此，从周期表两端转变到靠近中间的元素时，会释放能

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量。

就以铀-238为例，其原子核经过一系列的衰变后，最后转变成

铅-206。在衰变的过程中，释放出

8个

α粒子（也释放

β粒子，但因太

轻了，所以省略不计）。铅-206质量为

205.974 5，8个

α粒子总质量为

32.0208，所有产物合计总质量为

237.995 3，而铀-238质量为

238.0506。两者的差值为

0.0553。损失的质量恰好可以用来解释铀

衰变时所释放的能量。

当铀分解成更小的原子时，如铀裂变时，会释放出更多的能

量。再如星球中的氢转变成氦时，会有更多的质量亏损而产生巨

大的能量。

物理学家们开始把质能等价性看成是一种非常可靠的记录。

例如，在

1934年发现正电子时，正电子与负电子互相湮灭而产生

了一对

γ射线，其能量恰好等于正负电子的质量和。不仅如此，正

如布莱克特首次指出的那样，质量可由适当的能量来转换。在一

定的情况下，适当能量的

γ射线会消失而变成由纯能量产生的正

负电子对。由宇宙粒子或质子同步加速器产生的粒子供给的更巨

大的能量，可以促使产生更大的粒子，如介子和反质子。

当记录本上出现不平衡时，如在

β粒子发射过程中能量比预

期值小，物理学家构想出中微子来平衡这一能量的差额而不去改

变爱因斯坦方程（见第七章）是不足为怪的。

如果需要进一步证明由质量转换成能量的理论，原子弹已提

供了无可争辩的事实。

粒子和波

20世纪

20年代，物理学界盛行二象性的理论。普朗克证明

辐射具有粒子性和波动性。爱因斯坦证明质量和能量属于同一体

第八章 波

第八章 波

的两面，并且证明空间和时间是密不可分的。物理学家们开始寻

找其他具有二象性的情形。

1923年，法国物理学家德布罗意指出，如同辐射具有粒子的

特性一样，物质的粒子，如电子，也应显示出波的特性。他预言，与

这些粒子缔合的波，其波长应与该粒子的质量及速度的乘积（即动

量）成反比。德布罗意计算出，与中等速率电子缔合的波的波长应

属于

X射线的范围。

1927年，上述的惊人预言被证实。贝尔电话实验室的戴维孙

和杰默以电子轰击金属镍。在一次实验室的事故中，将镍加热了

很长一段时间，使金属镍变成了大块的晶体。这种晶体用于衍射

非常理想，因为晶体中原子的间隔与电子的极短波长不差上下。果

然，穿过这些晶体的电子表现出波动性而不是粒子性。在镍后

面的银幕上可以看到明暗相间的干涉图样，就好像不是电子而是

X射线穿过镍所显示的图样一样。

T.杨早在一个世纪以前就利

用这种干涉图样来证明光的波动性。现在他们又用来证明电子的

波动性。通过测量干涉带，可以计算出电子的波长。结果表明，电子

的波长是

1.65埃（1埃＝10－8厘米），和德布罗意所计算的应得

值几乎完全相同。

在同一年里，英国物理学家

G. P.汤姆孙独立地用不同的方法

也证明出电子具有波的性质。

德布罗意于

1929年获得诺贝尔物理学奖，而戴维孙和

G. P.汤姆孙共同获得

1937的诺贝尔物理学奖。

电子显微术

二象性的新发现完全出人意外，但很快就被应用在显微术上。

前面我已经说过，普通光学显微镜超过某一程度就失去了作用，因

为光波能够清楚地确定一些目的物的大小有一个限度。这些目的

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物愈小愈趋模糊，因为光波开始绕过它们。1878年，德国物理学

家阿贝首次指出上述现象。当然，解决更小物体呈像清晰的办法，

乃在寻求更短的波长。普通光学显微镜可以分辨间隔为

1/5 000

毫米的两个点，而紫外线显微镜的分辨力为

1/1 0000毫米，X射线

的分辨力更好，但是没有适合

X射线用的透镜。而使用电子波就

可以解决这个问题。电子波的波长和

X射线的波长大致相同，而

且容易操纵。举例来说，磁场能够使电子射线偏转，因为电子波是

与一种带电粒子缔合在一起的波。

正如利用透镜适当调节光线可以使肉眼看到一个物体的放大

像一样，利用磁场适当操纵电子波同样可以在照相底板上记录下

一个物体的放大像。另外，由于电子的波长远小于普通光的波长，

所以在高倍率下，电子显微镜的分辨力也就远大于普通光学显微

镜的分辨力（见图

8-5）。

1932年，鲁斯卡和诺尔在德国合制了一架粗糙的电子显微镜，

可以放大

400倍。但真正具有实用价值的电子显微镜则是由多伦

多大学的希利尔和普雷布斯于

1937年合制而成的。这架电子显微

镜可将物体放大

7 000倍，而最好的光学显微镜仅达

2 000倍的放大

率。到

1939年，电子显微镜已可以在市场上买到，最后，希利尔等

人又使电子显微镜发展到

2×106的放大倍率。

普通电子显微镜是将电子束聚焦在目标上，让电子束穿过目

标，而另一种电子显微镜则是让电子束快速地扫描目标，如同电视

机中的电子束扫描显像管一般。这种扫描电子显微镜最早在

1938年就由诺尔提出了，但是第一台可以使用的扫描电子显微镜

则是由英国出生的美国物理学家克鲁于

1970年左右制造的。扫

描电子显微镜对被观测的物体造成的伤害较小，而且显示的物体

具有更强的立体效果，因此可以得到更多的信息，甚至可以显示出

较大的单个原子的位置。

第八章 波 489

第八章 波 489

图 8-5电子显微镜示意图。磁聚光镜使电子变成平行的射束。磁物

镜的作用，如同凸透镜，产生一个放大的中间像。中间像再被磁投影仪

进一步放大，最后被投射在荧光屏或照相底板上

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电子为波

这种粒波二象性反过来也同样成立，这应该不足为奇了。因

此，通常被认为具有波动性的现象也应该具有粒子的特性。普朗

克和爱因斯坦已经证明，辐射是由量子组成的，而在某种程度上这

些量子就是粒子。1923年，曾经发现宇宙射线具有粒子性质的物

理学家康普顿（见第七章），证明这种量子具有某些纯属于粒子的

性质。他发现，X射线被物质散射时，会损失能量而使得波长变

长。这个效应正是一个辐射粒子撞出一个物质粒子时期望得到的

效应：受碰撞的物质粒子被推向前，获得能量；而

X射线改变方

向，失去能量。这个康普顿效应帮助确立了波粒二象性。

物质波对理论也有一些重要的影响，例如，物质波澄清了关于

原子结构的一些疑难问题。

1913年，玻尔根据新阐述的量子理论，描绘了氢原子的模型。

他认为，氢原子是由一个中心核和一个围绕着核的电子组成的，此

电子可在一些轨道中选择任一轨道绕核运行。这些轨道都有固定

的位置；如果该电子由外层轨道落到内层轨道，它将损失能量，这

损失的能量以具有一定波长的一个量子的形式发射出来；如果电

子是从内层轨道移到外层轨道，它将会吸收一个量子的能量，但是

这个量子的能量大小和波长要恰好可以使电子跃迁。因此，氢仅

能吸收或发射辐射的某些波长，这些波长在光谱中形成特征谱线。

玻尔的理论在以后的十年里，被发展得愈来愈复杂，特别是德国物

理学家索末菲，他还提出了椭圆形轨道理论。玻尔的理论成功地

解释了关于各种元素光谱的许多事实。玻尔以他的理论得到

1922年的诺贝尔物理学奖。德国物理学家

J. 夫兰克和

G. L.赫兹

研究原子和电子之间的碰撞问题，为波尔理论提供了实验基础，他

们二人共同获得

1925年的诺贝尔物理学奖。

1926年，奥地利物理学家薛定谔决定根据德布罗意的粒子具

第八章 波

第八章 波

有波动性的理论重新观察原子。他把电子视为一种波，认为电子

并不是像一颗行星环绕太阳似地环绕着原子核，而是以波的形式

环绕原子核，因此可以说它一下子就占据了整个轨道。结果证明，

根据德布罗意所预测的

1个电子的波长，整数的电子波恰好符合

玻尔所描述的轨道。在轨道之间，电子波并不恰好是一个整数而

是异相结合，因而这种轨道是不稳定的。

薛定谔对原子所作的数学性描述，称之为波动力学或量子力

学。这种研究原子的方法比原来玻尔的方法更令人满意。薛定谔

与狄喇克共同获得

1933年的诺贝尔物理学奖。狄喇克是反粒子

理论的创立者（见第七章），他对发展原子的这种新图像也有所贡

献。德国物理学家玻恩对于量子力学在数学方面的发展有更进一

步的贡献，他与另一人共同获得

1954年的诺贝尔物理学奖。

不确定原理

到目前为止，电子已是一个非常模糊的“粒子”，而且模糊的程

度很快就变得更加严重。德国人海森伯进一步提出一个深奥的问

题，使粒子甚至物理学本身几乎进入一个不可知的领域。

海森伯提出他自己的原子模型。他不以粒子或波动的说法来

描述这个模型。他认为，任何在原子的结构和我们周围世界的结

构之间寻求类似点的企图都注定要失败。他不以绘图法而完全用

数字的方式来描述能级和电子轨道。他利用数学里矩阵的方法来

处理他的数字，所以这个系统被称为矩阵力学。

由于海森伯对于量子力学的贡献，他得到

1932年的诺贝尔物

理学奖。但是他的矩阵力学不像薛定谔的波动力学那么受物理学

家的欢迎，因为薛定谔的理论似乎与海森伯的抽象理论同样有用，

而且即使对物理学家来说，要强迫自己不用图像来描绘他们所讨

论的内容，也是困难的。

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到了

1944年，匈牙利出生的美国数学家诺伊曼提出一系列论

证，似乎表明矩阵力学与波动力学在数学上是相等的，也就是说，

凡是能被矩阵力学证明的，波动力学也可以证明。因此，何不选择

较不抽象的波动力学呢？这样看来，物理学家们的选择似乎是正

确的。

提出了矩阵力学后，海森伯继续研究关于描述粒子位置的问

题。如何能够知道粒子的位置呢？最明显的答案是：去观察它。

那我们就想象一个能观察

1个电子的显微镜，我们必须借助光的

照射或适当的辐射才能看到这个电子。但是

1个电子是如此地渺

小，1个光子的撞击都可使它移动而改变位置。所以在测定电子

位置的当时，我们已经改变了该电子的位置。

这也是日常生活中我们常会遇到的现象，如当我们用压力计

测量轮胎中的气压时，会使一些空气从轮胎内跑出来，因而，我们

测量气压的动作本身会稍微改变气压。同样，当我们以温度计测

量浴缸内的水温时，温度会因温度计的吸热而稍微改变；又如以电

表测量电流时，标度盘上指针的移动会带走一些电流。在我们做

任何测量时，上述的误差是无法避免的。

纵然，在我们日常的测量里，上述的误差非常渺小，可以忽略

不计，但是当我们观测电子时，情形就大不相同了。我们所用的测

量仪器至少和所测量之物要一样大，但是我们找不到比电子更小

的仪器来测量它。因此，我们的测量不可避免地对被测对象会有

不可忽略的、决定性的影响。我们可以在某一瞬间制止电子的运

动而得到它的位置，但是，在这种情况下，我们无法知道它的运动

或速度。另一方面，在任一时刻，我们可以记录下它的速度，但我

们却不能确定它的位置。

海森伯指出，除非你愿意不确知亚原子粒子的精确运动，否则

不能设计出确定亚原子粒子位置的方法。反过来，除非你不想知

第八章 波 493

第八章 波 493

如果海森伯是正确的，那么即使温度在绝对零度下，也不是完

全没有能量；要是能量达到零点，粒子岂不完全不动了，于是速度

可以定为零，那么位置就可以确定了。所以，我们应该认为，必定

有一些剩余的零点能存在，即使绝对零度时，粒子也保持运动，也

可以说不确定性；而且也无法将零点能取走，即在绝对零度下，仍

能使氦为液态（见第六章）。

不确定原理认为，不增加动量的误差就不可能减少位置的误

差。1930年，爱因斯坦指出，不确定原理也含有这样的意思，即不

增加测量时间的不确定性要减少测量能量的误差也是不可能的。

爱因斯坦想以这种观点为出发点来反证不确定原理，但是玻尔进

一步证明，爱因斯坦的反证是错误的。

事实上，爱因斯坦关于不确定的论点，后来被证实非常有用。

他的论点指出，在亚原子的过程中，假如所有的亚原子过程在最后

都能回到守恒状态，那么在极短的时间内可以违反能量守恒定律：

偏离守恒愈多，允许的时间间隔愈短暂（汤川秀树在创立他的

π介

子理论时曾用过这个观念，见第七章）。假设粒子无视能量守恒是

无中生有的，但在可以探测它们的时间之前已不再存在，因而它们

只能是虚粒子，这样我们甚至可以用爱因斯坦的上述论点来解释

某些亚原子现象。虚粒子理论在

20世纪

40年代晚期，由三个人

研究提出，他们分别是美国物理学家施温格、费因曼和日本物理学

家朝永振一郎。他们共同获得

1965年的诺贝尔物理学奖。

从

1976年开始，人们甚至猜测，宇宙是由巨量的微小虚粒子

以极快的速度扩展并留存下来而开始的。按照这个观点，宇宙是

无中生有的，而且我们可以想象到可能会有无限多的宇宙，正在无

限的虚无的空间形成（并最终结束）。

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不确定原理深深地影响了物理学家和哲学家的思想。它与哲

学上的因果律（即原因和结果的关系）有着直接的联系。但它在科

学方面的含义并不像人们通常所想象的那样。人们经常看到这样

的文章，说不确定原理抹煞了自然界所有确定的事物，说到底科学

并不知道而且永远也不能知道真正发生的情况，科学知识所依赖

的是对宇宙的无法预测的奇思怪想，因为在这个宇宙中，结果可以

不随原因而来。不管这种解释从哲学的观点来看是否正确，不确

定原理丝毫没有动摇科学家研究科学的态度。例如，假设空气中

个别分子的行为不能被精确地预测出来，但是平均来说气体分子

的确遵循一定的定律，我们可以用统计的方法预测它们的行为，就

如保险公司，虽然不能预测某个人什么时候会死，但是却可以计算

出可靠的死亡率。

确实，在大部分的科学观察中，不确定性与有关测量的标度相

比，实在太小了，在一切实际目的中完全可以忽略不计。一个人可

以同时测出一个恒星、一个行星、一个台球，甚至一粒沙子的位置

和速度，而且可以得到令人满意的精确结果。

亚原子粒子本身的不确定，不但没有阻碍物理学家，反而帮助

了物理学家。它被用来解释放射性和原子核吸收亚原子粒子的事

实，以及许多其他亚原子的事件，这些解释比以前没有不确定原理

时更为合理。

不确定原理说明宇宙比我们所能想象的复杂得多，但并非是

不合理的。

（潘桂敏 译）

第九章 机 器

第九章 机 器

第九章 机器

火和蒸汽

本书至此，几乎全是谈纯科学，也就是解释我们世界上各种现

象的科学。然而，在整个历史进程中，人类一直在利用世界上的资

源来增进本身的安全，改善生活，增加乐趣。一开始，人类对这些

资源虽然没有正确的认识，但是经过仔细观察，一般理解，甚至是

巧合，人类便逐渐能够驾驭它们，为己所用。使资源为人类所利用

就是技术，它产生在科学之先。

科学发达之后，技术才可能以更快的速度进步。在现代，科学

和技术已经密切结合在一起而不可能分开。这是因为每当科学阐

明一些自然定律，就带动技术进步；而技术创造出新的仪器和设备

供科学家使用，也就促进科学发展。

早期的技术

我们再考虑一下热力学第一定律，虽然这个定律说能量不能

无中生有，但是没一条定律说能量不能由一种形式转变为另一种

形式。我们的全部文明都是建立在发现新能源以及用更有效、更

先进的方法来利用新能源的基础上。事实上，有史以来人类最伟

大的一项发现就与将木材等燃料的化学能转变成光和热的一些方

法有关。

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可能在现代人种——智人出现的

50万年前，原始人类就发现

了火。可想而知，他们遇到了闪电引起的灌木林火或森林大火，被

吓得四散逃跑。直到他们的好奇心胜过恐惧之后，才发现了火的

长处。

有一次可能是一个妇女，更可能是一个小孩，被静静燃烧着的

这种林火的余烬所吸引，于是往火堆里加上一些小树枝，然后看着

跳跃的火苗飞舞，玩得十分有趣。当然，这时年长的人会阻止这种

危险游戏，直到他们之中的一个富有想象力的人认识到使用火的

益处，才将这种小孩游戏变成供人们使用的东西。火能在黑暗中

提供光亮，使寒冷变成温暖，防止野兽侵袭。后来，人们发现火产

生的热可使食物变软，使食物的味道更好。（但是，史前人类不可

能知道火能杀死细菌和寄生虫。）

有数十万年之久，人类不会点火，只能让火苗不停地燃烧来取

火。万一熄灭，就会像现代社会停电一样。为了弄到火，可能要到

邻近的部落去借火，或是等到再次闪电引发火灾时再弄些火苗来。

一直到较近的历史年代，人类才学会在事先没有火的地方如何点

火，只在这时火才被人类真正控制（图

9-1）。控制火是由智人在

史前时代完成的，然而准确的年代、地点以及用何种方法点火，我

们不知道，也许永远无法知道。

在人类文明发展史的初期，火不仅提供了光和热、防护和烹

调，后来还用于从矿石中提取金属，然后冶炼金属，以及烧制陶瓷

和砖瓦，以至制造玻璃。

其他各种重要发展也促使了文明的诞生。大约在公元前

9000年，人类开始种植植物，饲养家畜，从事农业和耕种，从而增

加了食物的供给量。人类发现动物是一种直接能源，牛、驴、骆驼，

后来还有马（当然还有分布在世界各地的驯鹿、犀牛、水牛、无峰驼

和大象），这些动物的食物比人类的饮食粗糙得多，但肌肉却比人

第九章 机 器

第九章 机 器

图 9-1早期的两种点火方法

类强壮许多，可以使役。

公元前 3 500年左右，人类发明了圆轮（开始大概是陶工制造

陶器的转盘）。若干世纪后，大约在公元前 3 000年，人们在载物

撬上装置轮子，从此就利用滚动来拉载东西。虽然轮子不是直接

能源，但克服了摩擦力就能减少能量损失。

那时人们还使用原始的木伐和独木舟，利用流水的能量来运

输。可能在公元前 2 000年左右，人们利用风帆借助风力加速航

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行，甚至使船逆流而上。在公元前

1 000年左右，腓尼基人的帆船

活跃在整个地中海航线上。

公元前

50年左右，罗马人开始使用水车，利用急流推动轮子，

从而又带动其他轮子做功，碾碎谷物、捣碎矿石或汲水等等。风车

也在这个时候开始使用，利用风力而不是用水流转动轮子，因为湍

急的水流并非到处都有，而风却无所不在。中古时代的西欧，风车

是一种重要的能源。也是在中古时代，人们开始在冶金炉里燃烧

称为煤的黑石块，开始利用磁力作船的指南针（磁力指南针终于使

远航探险成为可能），并开始在战场上使用化学能。

大约在

670年，化学能开始用在破坏方面（不是过去在箭尖上

点火的那种简单技术）。据信，当时一个名叫卡利尼库斯的叙利亚

炼金术士发明了希腊火，它是由硫和石脑油组成的一种原始燃烧

弹，在

673年因用来解救君士坦丁堡被回教徒第一次围困而闻名。

火药大约是在

13世纪传到欧洲的，R. 培根记载为

1280年。据知，

亚洲早在此数百年之前便发明了火药，大概是在

1240年蒙古人开

始攻打欧洲时传入的。无论如何，利用火药发射的大炮在

14世纪

已在欧洲出现，加农炮似乎在

1346年克雷西战役中首次出现。

在中世纪的所有发明中，最重要的是德国人古滕贝格发明的

活版印刷术

①。大约在

1450年他首次铸出活版，从此印刷成为人

类文明发展中的有力工具。他还发明了印刷油墨，是把碳黑悬浮

在亚麻子油里，而不再是悬浮在水中。这时候纸张代替了羊皮纸

（按传统说法，大约在公元

50年，中国的宦官蔡伦发明了造纸法，

在

13世纪经由阿拉伯传入欧洲）。印刷术和纸张的发明，使书籍

和其他文字资料能够大量出版，广为流传。至今，还没有其他发明

①早在

1041年—1048年我国北宋庆历年间，由毕昇发明了活字印刷

术。——译注

第九章 机 器

第九章 机 器

的采用如此之快，30年之间就有

40 000册书籍出版。

此后，人类知识的记录不再限于宫廷内收藏的善本，而是只要

有阅读能力的人都可以在图书馆借到想看的书。许多表达公众意

见的小册子也首次印刷出版（

1517年，马丁·路德因反对罗马教廷

而提倡宗教改革的成功，主要归功于印刷事业能把消息传给民众。

否则，所谓宗教改革只不过是教会内部的争执而已）。此外，印刷

术是传播科学知识的首要工具之一，是广泛交流思想的必不可少

的工具。早期的科学只是少数学者彼此之间的私人交流，如今，科

学已成为人类活动的主要领域，使越来越多的工作人员加入到最

后将扩展成为世界性的科学社团，对各种理论做及时而严格的检

验，并永无止境地开发各项新的领域。

蒸汽机

能量的利用尽管在古代已有模糊的预示，但是直到

17世纪末

才达到一个伟大的转折点。希腊发明家亚历山大大帝在

1世纪某

年代，建造了一些以蒸汽为动力的装置。他利用蒸汽膨胀所产生

的推力来打开庙宇的大门、转动地球仪等等。随着亚历山大帝国

衰败，资料散失，已无法探究这些早期的装置了。

然而，在

15世纪后期，蓬勃发展的新社会有了第二次改革的

机会。矿坑里抽水的问题日益严重，因为矿坑开采越深，越需要抽

出大量的水。老式手摇唧筒（见第五章）利用真空来抽水，而到了

17世纪，人们越来越喜欢也更热衷于利用真空（或者，更确切地

说，是真空造成的空气压力）的巨大能量。

举例来说，

1650年有一位德国物理学家（马德堡市市长）居里

克发明了人工抽气机。他把两个有凸缘的金属半球组合在一起，

其中一个半球有气嘴，从气嘴抽出组合的两个半球内的空气，于是

半球内的空气压力降低，与半球外面的大气压力失去平衡，这样，

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两个半球就紧紧地贴在一起。最后，即使用两组马匹以相反方向

用力拉，也无法将两个半球分开。然而，一旦半球内再充入空气，

两个半球就自动分离。这个实验曾经展示给包括德国皇帝在内的

要人观看，引起了很大轰动。

因此，一些发明家开始想：为什么不利用蒸汽代替手工来抽真

空？如果把水倒入圆桶或其他容器内加热，使水沸腾形成蒸汽，就

会把水排出容器。如果冷却容器（例如，在容器外面加上冷水），那

么容器内的蒸汽会凝成水滴，容器就产生接近真空的状态。想使

水上升（如抽出矿坑内的水），可以通过阀门使水进入真空的容器

内。

法国物理学家帕潘早在

1679年就见识到蒸汽的力量。他制

造了一个蒸汽锅，使水在这个密闭锅内沸腾。蓄积的蒸汽压力使

水的沸点增加，这样的高温使食物易熟而且更好吃。蒸汽锅内产

生的压力，使帕潘想到可以利用蒸汽来做功。于是，他在一根其中

有活塞的管子底部放置一些水，然后加热使水变成蒸汽。蒸汽强

力扩张，于是向上推动活塞。

英国的军事工程师萨弗里是第一个把上述想法用到实用装置

上的人。他制造的蒸汽机可用来抽出矿坑或井里的水，或是用来

推动水车，所以他称他的机器为“矿工之友”。但是，他所造的蒸汽

机不但危险（因为蒸汽的高压可能把容器和导管冲破），而且效率

很低（因为每当容器冷却，蒸汽的热量就损失掉）。萨弗里的蒸汽

机在

1698年取得专利。7年后，一个名叫纽科门的英国铁匠制造

了一部改进的蒸汽机，在筒状容器内有一个活塞，利用大气压把活

塞往下推，就可以在比较低的蒸汽压下运行。

纽科门的蒸汽机效率也不高（每次加热后，仍要冷却蒸汽室），

以致蒸汽机并不怎么受重视。直到

60多年之后，苏格兰的仪器制

造工程师瓦特发明了高效率蒸汽机。当时，格拉斯哥大学雇用瓦

第九章 机 器

第九章 机 器

特帮助修理一台有故障的纽科门蒸汽机模型。瓦特开始思考大量

浪费燃料的问题：究竟为什么蒸汽室每次都必须冷却？为什么不

始终保持蒸汽室的蒸汽温度，而把蒸汽引到另一个处于冷态的冷

凝室？于是，瓦特做了一些其他改进：利用蒸汽压力辅助推动活

塞；装上一套机械连动装置，使活塞保持直线运动；将活塞的往复

运动牵引在一个能转动轮子的轴上，等等。到 1782年，瓦特的蒸

汽机的效率比纽科门的蒸汽机至少高两倍（同是烧 1吨煤），就像

一匹可作多种使役的马随时可以运转（图 9-2）。

图 9-2瓦特的蒸汽机

在瓦特以后的年代里，蒸汽机的效率不断提高，主要是利用在

更高的压力下的更高温度的蒸汽。卡诺的热力学（见第七章）的创

立，主要是由于认识到任何热机运行的最大效率与储热介质（一般

情况为蒸汽）冷热前后的温度差成正比。

在 18世纪中，人们发明了各种机器设备来大量增加纺织品产

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量。这些机器设备取代了中古时代使用的纺车。最初，这些机器

借动物或水车的动力运转。但是在

1790年，纺织工业跨出了关键

性的一步，即利用蒸汽机作为动力。

于是，新式纺织厂不必再建在湍急水流附近，也不必饲养动物，

可以建在任何地方。后来，英国开始了革命性转变，劳动人民离开

农田，放弃家庭手工业，蜂拥进工厂。但是，当时工厂内的工作环境

甚差，后来人们逐渐领略到：工人的待遇不应该比替人工作的动物

还要糟，于是工厂的工作环境才逐渐改善。

采用蒸汽机作为新动力系统的其他国家，同样也发生了巨大

转变和工业革命（工业革命一词是

1837年法国经济学家布朗基开

始使用的）。

蒸汽机也全面革新了运输业。1787年，美国发明家

J. 菲奇

制造了一艘可以航行的汽船，因为经济困难而告终，

J. 菲奇默默

无名地死去。美国人富尔敦是一个比

J.菲奇能干的发起人，他建

造的汽船克莱蒙特号在

1807年下水，由于大肆夸张和一些人的支

持，都以为他是汽船的发明人。事实上，正如瓦特并非制造蒸汽机

的第一个人一样，富尔敦也不是第一个制造汽船的人。

也许更值得纪念富尔敦的地方，是他努力试图建造水下航行

的船只。他制造的潜水艇并不实用，但是却促进了现代化的发展。

他建造了一艘称为鹦鹉螺号的潜水艇，而凡尔纳在

1870年出版的

小说《海底二万里》中的潜水艇也叫鹦鹉螺号；另外，第一艘核潜艇

受小说的影响也是用这个命称（见第十章）。

19世纪

30年代，横渡大西洋的汽船使用螺旋桨推进，这比两

侧圆轮推进器要进步许多。到了

19世纪

50年代，美国的漂亮的

快速帆船开始把帆收了起来，而且远洋商船队和海军船只都被汽

船代替。

后来，英国工程师

C. A. 帕森斯（发现蟹状星云的罗斯勋爵之

第九章 机 器

第九章 机 器

子）对使用蒸汽机的船只做了一项重大改进。原来的汽船是用蒸

汽推动活塞，再用活塞推动推进器。C. A.帕森斯把“中间环节”

拿掉，使蒸汽流直接吹向推进器周围的一组叶片。这样一来，推进

器就必须能承受高温和高速旋转，然而他终于在

1884年造出了第

一台实用的蒸汽涡轮机。

1897年，维多利亚女王登基

60周年，英国海军进行了例行的

蒸汽动力战舰检阅，这时帕森斯的蒸汽涡轮动力舰涡轮号以每小

时

35海里的速度悄悄地超越过去，而英国海军当中没有一艘能够

追上涡轮号，这等于为涡轮号做了一次广告宣传。不久，商船和军

舰都改用涡轮动力了。

在这期间，蒸汽机也开始主宰了陆路运输。

1814年，英国发

明家斯蒂芬森（他的工作大部分是根据英国工程师特里维西克的

研究）建造了第一台实用的蒸汽机车。利用蒸汽推动活塞的往复

运动，就像活塞推动船上的推进器那样，带动铁轨上的铁轮子。

1830年，美国的制造商库柏建造了西半球第一辆蒸汽机车，这是

历史上一大创举，使陆路运输能如海路运输一样方便，同时使陆路

经商能和海路贸易竞争。1840年，美国的铁路由濒临大西洋的东

岸建到密西西比河。到了

1869年，铁路线横跨了整个美国。

电

根据事物的自然特性，蒸汽机只适用于产生大规模而且持续

的能量，无法有效地传送少量能量，也无法用按钮控制的方式使它

做间歇性传送。一部小型蒸汽机得按照需要点火和熄火，十分麻

烦。但是，在蒸汽动力蓬勃发展的同一时代，也出现了把能量精确

转换成上述方式的设备，即只要一按电钮就能把现成的能量传送

到任何地方，大量少量都可以。这种形式就是电。

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静电

希腊哲学家泰勒斯在公元前

600年左右写下了这样的记载：

在波罗的海沿岸发现的树脂（我们称为琥珀，当地人称为电子）和

犬皮摩擦后，就会吸引羽毛、丝线或少许绒毛。英国人吉伯是一位

磁性研究者（见第五章），他是第一位将这种吸引力称为电（源于希

腊文“电子”）的人。吉伯发现除了琥珀以外，还有诸如玻璃之类的

东西，经摩擦也有带电现象。

1733年，法国化学家迪费发现，假使让两根琥珀棒或两根玻

璃棒用摩擦的方法使它们带电，两根同类棒会互相排斥，而带电的

玻璃棒却会吸引带电的琥珀棒。如果玻璃棒和琥珀棒一接触，两

根棒就都不带电。他认为，这种现象表明有两种电：玻璃电和树脂

电。

美国的学者

B. 富兰克林对电十分感兴趣，他认为电是一种

流体。当玻璃受到摩擦时，电就流入玻璃棒，使玻璃棒带“正电”。

而当琥珀棒受到摩擦时，电就流出琥珀棒，使琥珀棒带“负电”。并

且，当一根带负电的棒和一根带正电的棒接触时，电流将从正的一

方流向负的一方，直到达到电中性平衡。

这是一个相当精辟的推论。如果我们用电子代替

B. 富兰克

林所说的流体，并且将流向反过来（实际上电子流从琥珀流到玻

璃），他的猜想基本上是正确的。

在

1740年，法国的发明家德萨居利埃提出，将电流能在其中

自由流动的物体（例如，各种金属）称为导体；将电流不能在其中自

由流动的物体（例如，玻璃和琥珀）称为绝缘体。

实验发现，如果导体被玻璃或空气层绝缘起来，则大量电荷便

逐渐积蓄在导体上。最令人注目的是莱顿瓶，它是德国学者克莱

斯特在

1745年发明的，但实际使用的却是几个月后在荷兰的莱顿

第九章 机 器

第九章 机 器

大学由荷兰学者穆申布鲁克独自制成的莱顿瓶。莱顿瓶是现代称

为电容器的一个例子。电容器是由中间夹有一层薄薄的绝缘体的

两片导体构成的，其中一片能储存电荷。

在莱顿瓶里，电荷经由穿过木塞的铜链储存在玻璃瓶内的锡

箔上。当你接触充过电的瓶子时，会受到令人难受的电击。莱顿

瓶还能产生火花。当然，物体带电量越大，电荷逃脱的趋势越强，

使电子由电子过多的区域（负极）转移到电子最缺少的区域（正极）

的力，称为电动势或电位。电位够高时，电子甚至能够越过正、负

两极间的绝缘隙。这样，电子就跨过两极间的空隙而产生明亮的

火花和噼啪声。明亮的火花是由于无数的电子和空气分子碰撞所

引起的，而噼啪声是因为急速加热的空气膨胀，随之被冲入瞬时生

成的部分真空的冷空气拍击而产生的。

当然，有人会想到，天空打雷打闪现象是否和放大的莱顿瓶效

应一样？英国学者

W.沃尔在

1708年就提出了这种看法。这种看

法使

B. 富兰克林在

1752年进行了他的著名实验。他在风筝上扎

上一根细铁丝，铁丝上系有一条丝线。在雷电交加的日子，将风筝

放上天空。当

B. 富兰克林的手接近系在丝线上的金属钥匙时，钥

匙上有火花产生（见图

9-3）。富兰克林又使钥匙带上云层中的电

荷，然后用带电的钥匙去给莱顿瓶充电，结果，莱顿瓶同样也充上了

电。这样，B.富兰克林就证明了雷雨云里充满电荷，雷声和闪电正

是天空的莱顿瓶效应，其中的云层和地面就是两个电极。

就

B. 富兰克林本人来说，做这个实验最幸运的事就是未丧

命。有些人做这种实验而致命，这是因为风筝上的细铁丝蓄积的

感应电荷对手持风筝线的人产生了致命的放电。

B. 富兰克林立即将理论上的这种进展付诸实际应用，发明了

避雷针。避雷针的构造很简单，由一支装在建筑物最高点的铁棒

和接到地面的导线构成。铁棒的尖端吸取云层里的电荷，经导线

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图 9-3富兰克林的实验

安全地通到地面上。如富兰克林的实验表明，万一受雷击，电荷便

安全地接地。

全欧洲和美国都在建筑物最高点上装设避雷针，此后，雷电造

成的灾害便明显降低，这是一项不小的成就。但是，在每年 20亿

次闪电之中，平均每天仍有 20人被击身亡， 80多人被击伤（均为

估计数字）。

B. 富兰克林的实验产生了两种如电击般的效果：第一，整个

世界突然对电充满了兴趣；第二，就文化而言，他使美国领土能够

出现在地图上。他是第一位能够在理性时代先进的欧洲人面前展

露科学家能力的美国人。25年之后，B.富兰克林代表刚诞生的

美国到凡尔赛请求协助时，受到了盛大的款待，不只因为他是一个

新共和国的使节，也是因为他是一位驯服了闪电，并把闪电引导到

地下，具有大智的伟人。他的风筝对美国的独立，贡献甚大。

继 B. 富兰克林的实验之后，电学的研究突飞猛进。 1785年，

法国的物理学家库仑完成了带电物体吸引力和排斥力的定量测

第九章 机 器

第九章 机 器

定。他的实验结果表明，电荷的吸引力（或排斥力）与距离的平方

成正比，这一点和重力类似。为了纪念这个发现，采用库仑来表示

电量的一个通用单位。

动电

不久之后，电学的研究有了更新奇、更丰富而且更令人惊讶的

转变。在这之前，我们所讨论的都是静电，静电是指物体上所带的

而且停留在物体上的电荷。电荷的移动，也就是电流或动电，是由

意大利的解剖学家伽伐尼首先发现的。1791年，他无意中发现，

如果将两种不同的金属同时接触解剖的青蛙的大腿，会引起青蛙

大腿肌肉的收缩。

青蛙大腿肌肉的上述收缩反应和莱顿瓶放电刺激肌肉的反应

一样，所以伽伐尼认为肌肉里有他所谓的动物电。另外，有些人认

为，电荷的来源可能是两种金属的接点，而不是肌肉。

1800年，意

大利物理学家伏打研究了不同金属的组合，并用溶液代替肌肉组

织来连接不同的金属。他开始使用不同的金属片串在一起，然后

连接两个盛有半杯食盐水的杯子。为防止盐水溢出，他准备了一

些小铜片和小锌片，把它们交替叠加起来。他还做了一些用盐水

浸湿的纸卡片。这样，他的伏打电堆就由银片、纸卡片、锌片、银

片、纸卡片、锌片……依次叠置而成。电流能从这种装置持续地流

出。

任何这样的连续重复的装置都可称为电池。伏打的装置便是

第一个电池（图

9-4）。直到一个世纪以后，科学家们才知道化学

反应中有电子转移，以及用电子的移动和流动来解释电流的发生。

然而，在此之前，虽然他们不完全了解电流的原理，但会使用。

戴维利用电流来分开紧密结合的分子中的原子，在

1807年和

1808年首次制备了钠、钾、镁、钙、锶、钡等金属。法拉第（戴维的

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助手和被监护人）继续研究分开分子（电解）的一般规律。半个世

纪之后，他的研究引导阿伦尼乌斯提出了离子离解假说（见第五

章）。

图 9-4伏打电池。相接触的两种不同金属片产生电子流，借助盐水浸

过的布从一个电池传到另一个电池。如今的干电池或电筒电池用碳和

锌做材料，是在 1841年由本生首先制成的

伏打电池发明之后的 150年间，由于动电的用途广泛，静电不

被重视，甚至被视为历史的陈迹。然而，智慧和知识永无止境。

1960年，美国的发明家卡尔森利用局部性静电引力将碳黑粉吸附

到纸上，制成复印装置。这种复印装置不需要溶液或湿介质，称为

静电印刷术（源于希腊文“干写”的意思），从而改革了办公室的工

作程序。

一些早期的电学研究者的名字被永远定为电学各种量度单位

第九章 机 器

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的名称。前面提到，库仑为电量单位。另一个单位为法拉第，1法

拉第等于

96 500库仑。法拉第的名字还被用作电容单位：法拉。

另外，为了纪念法国物理学家安培，电流强度（在一定时间内通过

电路的电流量）的单位称为安培（见第五章）。1安培等于每秒

1

库仑的电流。为了纪念伏打，电动势（驱动电流的力）的单位称为

伏特。

一定的电动势在不同的电路上并不能驱动相等的电流。在良

导体上能驱动大量电流，在不良导体上只能驱动小量电流，而非导

体上实际没有电流通过。1827年，德国数学家欧姆研究电流受到

的电阻时发现，在一定的电动势下，电路上电流大小与电阻有精确

的关系。取伏特数与安培数之比值就能算出电阻值，这就是欧姆

定律，电阻的单位为欧姆。因此，1欧姆等于

1伏特除以

1安培。

发电

由化学能转换为电能（如伏打电池等），通常比较昂贵，因为所

用的化学物质比较少而且贵。因此，在

19世纪初期，虽然实验室

里可以方便地使用电能，但是在工业上不可能大规模使用。

人们有时试图利用一般燃烧所产生的化学反应作为电能来

源。像氢（煤更好）这种燃料要比锌、铜等金属便宜得多。早在

1839年，英国的科学家格罗夫设计了利用氢、氧化合的电池。尽

管这种电池令人注目，但是并不实用。近年来，物理学家们努力研

究实用的燃料电池。原理都了解，只是实际上的困难有待克服，这

些问题很难解决。

在

19世纪末，电能开始大量使用时，电的来源并不是电池，这

不足为奇，因为在

19世纪

30年代法拉第就利用导体在磁铁磁力

线中的机械运动来产生电能（图

9-5，并见第五章）。在这样的发

电机（源于希腊文“力量”）里，运动的动能可以转变成电能。可以

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用蒸汽动力来做这种运动，而蒸汽则是燃烧燃料而产生的。这样，

比燃料电池间接一些，燃烧煤或油（以至木材），将获得的热能转换

成电能。到了 1844年，上述大型发电机已用来驱动机器。

图 9-5法拉第的发电机。旋转的铜盘切割磁铁的磁力线，在伏特计上

产生感应电流

十分需要更强力的磁铁，以求做切割强磁力线的运动时能产

生更大的电流。而这些强力磁铁的制造又必须利用更强的电流。

1823年，英国的电机实验家斯特金把裸铜线在 U形铁棒上绕 18

匝，形成一个电磁铁。当接通电流时，产生的磁场都集中在铁棒

上，这时铁棒能举起相当于铁棒本身重量的 20倍的铁物，而切断

电流时，铁棒的磁力消失，不能举起任何铁物。

1829年，美国的物理学家亨利用绝缘漆包线来缠绕铁棒，大

大改进了这种装置。一旦使用绝缘漆包线，就可以绕成一层层紧

密回路，没有短路的危险。每多绕一圈，磁场强度和电磁铁磁力就

随之加强。 1831年前，亨利已造出一个能提起 1吨重铁的电磁

铁，而且体积不大。

第九章 机 器

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用电磁铁显然能制造较好的发电机。1845年，英国物理学家

惠斯通利用电磁铁制成了发电机。麦克斯韦对法拉第

19世纪

60

年代的研究结果所作的数学解释，可以较好地说明磁力线的理论

（见第五章）。1872年，德国电气工程师黑夫纳-阿尔特纳克设计

了第一台真正有效的发电机。后来终于可以利用水力便宜地发

电，从而不仅利用燃料发电，而且还利用水力发电。

电在技术方面的早期应用

电在技术方面的早期应用的研究，较大部分应归功于亨利。

亨利在电应用上的第一项发明是电报。他设计了一套使用继电器

的电路系统，能够用电线把电流传送到好几公里远的地方。电压

保持一定时，带电阻的电线上的电流强度随着传导距离的增加而

减弱。亨利设计的继电器就是利用微弱的电流信号来驱动一个小

小的电磁铁，而这些每隔一定距离所设置的电磁铁就启动一个放

大信号的开关。这样，编码的电脉冲信号就可以传送到相当远的

距离。实际上，亨利建立了上述工作方式的电报通信。

由于亨利是一位不同于世俗的人，他认为知识应当由全世界

共享，因此没有为自己的发明申请专利，也没有因此项发明而获得

荣誉。这项光荣最后落在艺术家莫尔斯身上，他依靠亨利的无偿

帮助，在

1844年制造出第一台实用的电报机。莫尔斯对电报的主

要贡献是他发明了由点和线系统组成的著名的莫尔斯电码。

亨利在电学方面最重要的研究成就是电动机。他的研究表

明，正如轮子的转动能发电一样，电流也能用来转动轮子，而且用

电转动的轮子（电动机）可以用来带动其他机器。这种电动机到处

都可以安装，可以任意开或关（不必像蒸汽机要先烧好足够的蒸汽

才能开动），而且可以按所需尺寸建造（图

9-6）。

问题是必须把电由发电厂传送到使用电动机的地方。因此必

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图 9-6亨利的电动机。右上方的磁棒 D吸引绕线磁铁 B，把长的金属

插头 Q和 R插入黄铜套管 S和 T，S和 T就是湿电池 F的两个端电极。

电流流入水平磁铁时，产生电磁场，把 A和 C吸在一起。整个过程又在

另一端重复，水平磁棒就这样上下摆动

须研究某种方法使电在电线上传输时减少能量损失（以散热的

形式）。

一种方法是用变压器。电流实验者们发现，如果电线上电流

减小，那么能量损耗会大大降低。因此，将发电机的输出端接到变

压器，使电压升高若干倍，例如，升高 3倍，则电流减小到 1/3。在

接收站，可使电压再降下来，因此，电流又相应地增大，供电动机使

用。

变压器的工作原理是利用初级绕组的电流在高压端次级绕组

中产生感应电流。这样的感应作用需要改变次级绕组的磁场。因

为直流电无法产生这种效果，所以使用一种连续变化的电流，先升

高到一个峰值，然后下降到零，再以相反方向达到负峰值，反复变

化，这就是交流电。

交流电与直流电经过一番竞争之后，才占了上风。 19世纪最

后 10年，电学领域内最伟大的研究者爱迪生赞成使用直流电，并

在 1882年在纽约市建立了第一个直流发电厂来供给他发明的电

第九章 机 器

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灯的电流。他反对交流电的理由是交流电比较危险（例如，处死刑

的电椅就使用交流电）。然而爱迪生的主张受到特斯拉的强烈反

对，特斯拉是爱迪生手下的一名工程师，而且受到不平等的待遇。

1888年，特斯拉研制出一套成功的交流电系统。

1893年，交流电

的支持者威斯汀豪斯击败了爱迪生，为他的电气公司取得了建造

尼亚加拉瀑布城交流发电站的合同。在以后的几十年里，施泰因

梅茨以严格的数学基础建立了交流电理论。如今，在电力传输系

统上几乎全是交流电的天下。1966年，美国通用电器公司的工程

师们建造了一台直流变压器（长久以来认为是不可能建造的），但

必须在液氦温度下运转，而且效率很低。原理上是很理想的，但现

今似乎没有实用价值。

电技术

蒸汽机是一种原始发动机，它将自然界现有的能源（木材、油

和煤的化学能）加以转换而做功。然而，电力机不是原始发动机，

它将电能转换为功，但电能本身的来源是燃料的燃烧或水位差。

因此，对于负载重的工作，电力要比蒸汽贵得多。但是，电力也能

应用于较重的工作。在

1879年的柏林展览会上，一辆电动机车

（利用第三条铁轨作为电流来源）成功地推动了一列客车。如今，

电力机车已经十分普遍，尤其是在都市的快速运输方面，因为电力

机车清洁，操纵方便，因而补偿了增加的费用。

电话

电之所以能够一展所长，正是在于它完成了蒸汽无能为力的

工作。以电话为例，它是在

1876年由在英格兰诞生的发明家

A. G.贝尔发明的。电话的话筒上有一片薄的铁质振动膜，讲话

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者发出的声波打在振动膜上，振动膜便随着声波波形振动，因而产

生一个模拟电流的波形，其中电流的强弱就是声波振幅的大小。

在电话听筒上，也是用电流强度的变化来制动一个电磁铁，从而使

听筒上的振动膜发生振动，使声波再现。

早期的电话技术并不成熟，效果也不佳。即使如此，电话仍在

1876年在费城举行的美国独立

100周年展览会上博得好评。参观

展览的巴西皇帝佩德罗二世试用之后，惊讶地放下听筒说道：

“它能

说话！”这句话成了当天报纸的头条新闻标题。另一位参观者开尔

文勋爵同样印象深刻。此外，伟大的麦克斯韦对于人类的声音居然

可以靠这种简单的装置再现，也感到惊奇。1877年，维多利亚女王

接受了一部电话，于是电话的成功被肯定。

还是在

1877年，爱迪生对电话装置做了重大的改进。他制造

的一种新式话筒，其中有松散装填的碳粉，当振动膜挤压碳粉时，

碳粉便传导较多电流，而当振动膜离开碳粉时，碳粉传导较少电

流。利用这种方式，声波被话筒转换成高保真变化的电流脉冲，而

且听筒中再现的声音的清晰度也有很大改进。

如果不使用粗铜线（电阻小），电话信号无法传送很远。

19世

纪末到

20世纪初，南斯拉夫出生的美籍物理学家浦品发明了一种

方法：在细铜丝上每隔一定距离加上一个电感线圈。这种装置能

放大声音信号，并能远距离传送。

1901年，贝尔电话公司购买了

这套设备，到

1915年，纽约和旧金山的电话线路开始通话，于是长

途电话成为事实。

在拨号电话问世（

1921年）以前，电话接线员一直是不可缺少

的。随着电话自动化不断发展，到

1983年，成千上万名电话职工

罢工两个星期，而电话业务并没有因此而中断。最近，无线电通信

和卫星通信使得电话的用途更加广泛。

第九章 机 器

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录音

1877年，也就是在电话发明的一年之后，爱迪生发明了留声

机。最初的唱片是一张包在圆筒上的锡箔片，锡箔片上刻有凹槽。

1885年，美国发明家泰恩特以蜡制的圆筒代替贴上锡箔片的圆

筒，然后在

1887年，柏林纳推出涂蜡的圆薄片。

1904年，柏林纳

做了一项更重要的改进：使用扁平的留声机唱片，让唱针在扁平

唱片凹槽的两边来回摆动。这种小巧的唱机马上就取代了爱迪生

的圆筒式唱机（唱针在凹槽里上下振动）。

1925年，开始借助电利用麦克风录音。麦克风中采用一片压

电晶体

①来代替金属振动膜，使声音转换成模拟电流，而压电晶体

能使再现的声音音质更好。20世纪

30年代，开始使用起放大作

用的真空管。

1948年，匈牙利血统的美国物理学家戈德马克发明了一种密

纹唱片，这种唱片不采用传统的每分钟

78转而改用每分钟

33.

转。一张密纹唱片的容量是旧式唱片容量的

5倍，因此用它来听

交响曲就不用换面或换片了。

电子技术使高保真和立体声成为可能，音响效果实际上把乐

队或演唱者和听众之间的一切机械性障碍完全消除。

磁带录音是在

1898年由丹麦的电气工程师浦耳生发明的，但

经过某些技术改进后才变得实用。一个使电流随声音波形的变化

而变化的电磁铁，把经过它的磁带或磁线上的粉末磁化，完成录

音。放音时，使用一个拾磁迹的电磁铁再转换成电流，声音再现。

发明电以前的人工照明

电的各种功能中，最受欢迎的莫过于把黑夜变成白昼。人类

①现在，用驻极体代替压电晶体，音质尤佳。——译注

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曾经使用过营火、火把、油灯和蜡烛来增进人类在日落后的活动能

力，大约有

50万年之久，人工照明一直是微弱而闪烁不定的。

19世纪，古老的照明方法有了许多改进，鲸鱼油和煤油开始

用来点灯，使油灯更亮、更有效。奥地利的化学家韦耳斯拔研究发

现，如果把一个浸有铯和钍化合物的圆筒形纱罩安置在灯焰周围，

可使灯火变成闪亮的白色。1885年取得专利的韦耳斯拔纱罩，使

油灯的亮度大为增强。

19世纪初，苏格兰的发明家默多克发明了煤气灯，把煤气充

人一个有喷嘴的瓶内，然后由喷嘴喷出再点燃。

1802年，他为了

庆祝英国与拿破仑达成了暂时和平，举行了一次别开生面的煤气

灯展览大会。在

1803年之前，他已开始使用煤气灯来照明他的主

要工厂。到

1807年，一些伦敦的街道也开始使用煤气灯来照明，

从此广为流传。随着时代的进步，大城市的夜晚越来越明亮，不但

降低了犯罪率，而且增进了市民的安全保障。

美国的化学家黑尔研究发现，炽热气体火焰喷在一块氧化钙

（石灰）上，会产生明亮的白光。这种石灰光用于戏院舞台照明，它

的亮度是前所未有的。

从火把到煤气灯都是使用火焰照明。如果附近没有火源，必

须有某种装置来点燃燃料（可以是木材、煤、油或煤气）。19世纪

以前，最方便的点火方法是使用钢和火隧石，把钢和火隧石互击就

产生火花，碰巧，火花就能点燃火绒（细分散的易燃物），然后火绒

的火就能点燃蜡烛等等。

19世纪初期，化学家们开始试着把易燃的化学物质涂在一小

片木材的一端，温度升高时易燃物就会突然燃烧起来，这样的一小

片木材就是火柴。摩擦可以提高温度，所以把火柴在粗糙的表面

摩擦就可以点燃而产生火焰。

最早的火柴使用的化学物质具有毒性，点燃时会冒出讨厌的

第九章 机 器

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浓烟，并产生恶臭。1845年，奥地利的化学家施勒特尔改用红磷

作为火柴棒上的易燃物，火柴的使用才真正安全。最后研制出的

安全火柴，是把红磷涂在火柴盒的粗面纸条上，火柴头部为其他所

需的化学物质。火柴头和涂有红磷的纸面都无法单独起火燃烧，

但是我们把火柴头在涂有红磷的纸面一划，火柴就被点燃。

另外，在钢和火隧石点火方面也有长足的进步。发火合金

①

代替了钢，用一个小圆轮摩擦它，就可以产生炽热的火花。易燃液

体燃料取代了火绒，结果就构成香烟打火机。

电灯

所有直接和外界接触的火焰都会不停地跳动，有引起火灾的

危险，因此需要另一种新方式照明。长久以来人们就注意到，电能

够发光。莱顿瓶放电时产生火花；电流流过电线时，有时也会使电

线发出辉光。这两种发光系统都已用来照明。

1805年，戴维给两片导体通上电流，使两片导体之间的空气

间隙放电。保持电流不断，放电就继续下去，产生电弧。后来，电

比较便宜，用电弧灯照明成为可能。19世纪

70年代，巴黎和其他

城市的街道使用了这种灯。电弧灯发出咝咝的声音，明暗闪烁，也

是开式的，也有引起火灾的危险。

更好的方式是用电流加热一条细丝（灯丝），直到发光。当然，

必须在没有氧的情况下，灯丝才能发出辉光，否则一经加热，灯丝

马上被氧化。早期试图直接将空气抽走，以排除氧。

1875年，对

阴极射线有研究的克鲁克斯（见第七章），为上述目的设计出能产

生高真空的方法，不但快速而且经济。虽然如此，灯泡中所用的灯

丝仍然容易烧断。1878年，刚刚发明了电唱机的爱迪生，宣称他

①稀土金属混合物，主要是铯。——译注

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将要解决这个问题。当时他仅

31岁，可是他已经是一位享有盛名

的发明家，他的宣称竟然使煤气公司的股票在纽约和伦敦的股票

交易所下跌。

爱迪生经过数百次实验和无数次失败之后，终于找到了一种

适合做灯丝的材料——烧焦的棉丝线。

1879年

10月

21日他点

亮了这个灯泡，灯泡一直亮了

40个小时后灯丝才被烧掉。就在翌

年的除夕夜，爱迪生在新泽西州的门洛帕克（它的实验室就在此

城）的主要街道上都点上了他所发明的电灯，得意地公开展示。不

久，爱迪生的灯泡就取得了专利权，并开始大量生产。

然而，爱迪生并不是惟一发明白炽灯泡的人。至少有另一位

发明家——英国的斯旺，也宣布了同样的发明。1878年

12月

18

日在纽卡斯尔举行的化学学会会议上，他展示了一个碳丝灯泡。

但是直到

1881年，他的灯泡才正式生产。

爱迪生继续研究给使用电灯的家庭提供稳定和充足的电力的

问题，这是一项和发明电灯一样费力的工作。后来，对灯泡做了两

项主要改进：1910年，通用电器公司的库利吉采用耐热的钨金属

做为灯丝材料（图

9-7）；另外，

1913年，朗缪尔把惰性气体氮充入

灯泡，防止灯丝在真空中容易氧化或容易断裂。

氩（1920年开始使用）充入灯泡的效果比氮好，氩是纯惰性气

体。另一种惰性气体氪效果更好，可使灯丝热到更高温度，发出更

亮的光，而不减少寿命。

经历了半个世纪，灯泡透明的玻璃和光亮的灯丝就像太阳一

般，令人难以张目直视。后来，一名化学工程师皮普金设计了一种

蚀刻灯泡内层玻璃的实用方法（在灯泡外层玻璃蚀刻会收集灰

尘，并减小灯光亮度）。使用毛玻璃灯泡能产生一种柔和、舒适、稳

定的光线。

电灯的问世有可能抛开火焰照明设备，从而使火灾成为过去。

第九章 机 器

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图 9-7白炽灯泡

不幸的是，开放式火焰依然存在，而且可能永远都会存在——营火

场、煤气炉或油炉。最不幸的是，数以亿计的吸烟者所带的香烟和

打火机便是开放式火焰的来源。每年生活中由吸烟引起的火灾

（包括森林大火、灌木林火和房屋建筑等火灾）造成的损失不计其

数。

用灯丝来发光的灯泡（白炽灯名称的由来就是因为全靠灯丝阻

止电流流通所产生的热量来发光），并不是将电转换成光的惟一方

法。例如， 1910年由法国化学家克洛德发明的霓虹灯，就是在管子

内由电荷放电来激发氖原子放射出明亮的红光。日光灯的灯管里

充有水银蒸气，水银蒸气被放电激发就会产生含大量紫外线的辐

射。紫外线不但可以晒黑皮肤，而且可以杀死细菌，还可以产生荧

光。紫外线能产生荧光的性质导致了日光灯（荧光灯）的诞生。日

光灯在 1939年举行的纽约世界博览会上公诸于众，当时已是现在

的形式。由水银蒸气发出的紫外线激发涂在灯管内壁的磷，而产生

荧光（图 9-8）。由于这种冷光产生很少的热能，因而省电。

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图 9-8日光灯。由灯丝产生的电子激发灯管内的水银蒸气，引发紫外

线，紫外线使磷发出荧光

一支 40瓦的日光灯比一支 150瓦的白炽灯亮得多，但是热量

少得多。所以从第二次世界大战后，一般人都倾向于使用日光灯。

早期的日光灯并不是使用磷，而是使用铍盐，可是吸进含有铍盐的

灰尘，或是被破裂的灯管割伤，都会造成严重的中毒（铍毒症）。

1949年以后，毒性小得多的磷才被使用。

新近最有希望的发展是使电直接转变成光，这种方法不需先

产生紫外线。1936年，法国物理学家德斯特劳发现，强交流电可

以使磷发出如同硫化锌般的亮光。现在，电气工程师们将磷分布

在塑料或玻璃中，利用这种所谓电致发光现象来制造一种发光板。

这样，荧光墙或荧光天花板就能照亮整个房间，使房间充满柔和而

多彩的光辉。但是，电致发光效率太低，无法和其他电力照明方法

竞争。

摄影术

有关光的各种发明中，或许没有一项能比摄影给人类带来更

多欢快。它的起源是观察光线通过针孔射进一个暗室时，暗室外

的景物在暗室内形成一幅上下颠倒的朦胧影像。这种装置大约是

在 1550年由一位意大利炼金术士波尔塔制造的，称为针孔照相

机。

第九章 机 器

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在针孔照相机里，通过针孔的光线非常稀少。但是，如果用一

个透镜代替针孔，大量光能够会聚在焦点上，影像也就明亮许多。

这个问题虽然解决，但仍须寻求光敏的化学反应。许多人在这方

面做了研究，其中包括著名科学家法国人尼埃普斯和达盖尔以及

英国人塔尔博特。尼埃普斯试着利用阳光以适当方式使氯化银变

黑，他在

1822年拍出了第一张原始照片，可是曝光时间整整花了

8小时。

达盖尔是尼埃普斯生前的研究伙伴，尼埃普斯死后，他继续改

进显像方法：当日光把银盐晒成黑色时，就用硫代硫酸钠来溶解

那些未发生变化的盐类，这一方法是

W.赫歇耳之子

J. 赫歇耳提

出的。1839年，达盖尔提出了最初的实用照像法——银板照像

法，曝光时间不超过

20分钟。

塔尔博特进一步改进，制出了负片，负片上被光照的地方显黑

暗，冲洗后黑暗处成为明亮，而明亮处成为黑暗。利用这种负片可

以洗印出许多正片，正片上光线与负片正相反，明亮处与黑暗处都

同于原景物。在

1844年，塔尔博特出版了第一本附照片插图的

书。

摄影继续证明了它对人类事件描述方面的价值。

19世纪

50

年代，英国人拍下了克里米亚战争景象；19世纪

60年代，美国摄

影师布雷迪用难以想象的简陋摄影器材，拍下了当时美国进行南

北战争的一些经典性照片。

20世纪

50年代前，采用湿板摄影。湿板是涂有一层化学感

光乳剂的玻璃板。拍摄必须在乳剂干燥前完成。长久以来都无法

解决这种限制，只有技术熟练的摄影专业人员才能拍摄照片。

然而，1878年，美国发明家伊斯曼发现，可以将乳剂和凝胶混

合，然后涂在底板上，使它干燥成稳定的胶膜，就能长时间保存。

1884年，他先是将凝胶涂在纸上；1889年又改为涂在赛璐珞上面。

最新科学指南（上）

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他的这种摄影底片获得了专利权。1888年，他发明了柯达相机，

这种相机只要一按按钮就可以拍下照片，然后再去冲洗感光的底

片。如今，摄影已成为普遍的爱好。感光性能更好的感光乳剂开

始使用后，只要闪光灯一闪就能拍下照片。不像过去那样，人们在

镜头前必须长时间保持同样的姿势，不但呆滞无神，而且表情也不

自然。

有人认为，摄影没有办法更简单化了，但是

1947年，美国发明

家兰德设计了一种双卷照相机，在胶卷和相纸之间有密封的化学

试剂容器。化学试剂在适当时候释出，并自动显像印像。当你按

下相机快门，几分钟之后就得到一张完好的照片。

19世纪期间，只有黑白照片，没有彩色照片。但是在

20世纪

初期，卢森堡出生的法国物理学家

G.李普曼发明了彩色摄影术，

这项发明使他获得了

1908年的诺贝尔物理学奖。这种摄影术后

来是被证明是一个虚假的开始，一直到

1936年，实用的彩色摄影

术才研究出来。这次尝试相当成功，它的原理是根据麦克斯韦和

亥姆霍兹在

1855年观察结果：红、蓝、绿三种颜色的光适当地组

合，可以产生光谱中的任一种颜色。根据这个原理，彩色底片包括

三层感光乳剂：一层对影像的红色敏感，一层对影像的绿色敏感，

一层对影像的蓝色敏感。三层虽然分立，但形成叠加的图像，每一

层以黑白浓淡形式再现其在光谱中的亮度。然后将底片分连续三

步显影，分别用红色、蓝色和绿色染色液在底片上染上适当颜色。

图像上每一个点都是一个红、蓝、绿的特定组合，眼睛看照片时，大

脑会把这些组合重新组合成全色。

1959年，兰德提出了新的彩色视觉理论。他认为大脑并不要

求三种原色的光的组合来重新组合成全色。实际需要两种不同波

长的光或若干组不同波长的光，其中一种波长要比另一种波长短

一定的最小值。例如，若干组波长中的一组可能是全谱，即白光。

第九章 机 器

第九章 机 器

因为白光的平均波长处于黄色和绿色光的波长范围内，所以可将

白色光当作“短”波长的光。那么，利用白色光和红色光（作为长波

长的光）的组合，就能再现全色图象。兰德还利用经过滤色的绿色

光和红色光的组合，以及利用适当的其他两种不同颜色的光的组

合，拍出了全色照片。

电影的发明开始于

1824年英国物理学家罗热的观察。他注

意到，人的眼睛会产生持续几分之一秒的视觉暂留现象。自从发

明摄影后，许多实验人员（特别是在法国）利用这个原理快速连续

地放映一系列图像，使观看者对图像产生动作的幻视。我们迅速

翻阅一系列画片时，看起来画片中的人好像在运动。如果我们把

和前一张影像仅有轻微差别的影像依次排列，然后在荧光屏上以

每

1/16秒放映一张的速度放映，眼睛的视觉暂留影像就会使景物

连在一起，并且产生连续动作的感觉。

爱迪生制作了第一部电影。他把一系列景物拍摄在一长卷底

片上，然后用放映机放映底片，把每一张底片用强光连续投影在屏

幕上。1894年，第一部为大众娱乐的电影首次展示；

1914年，戏院

放映了长篇电影《一个国家的诞生》。

1927年，无声电影加上了一种声道。这种声道也是以光的形

式录入的，乐声和演员谈话声的波形经由麦克风转换成强弱不同

的电流，这个电流点亮一盏灯，使灯的亮暗程度和影像的动作一起

拍摄下来。放映底片时，底片上的景物就投射在屏幕上，随着声波

波形变化的亮暗光线借助一支光电管利用光电效应再转换成电

流，而电流再转换成声音。

在第一部有声电影《爵士歌手》问世后两年之内，无声电影便

成为历史陈迹，甚至连歌舞杂耍表演几乎也无人问津了。

20世纪

30年代末期，彩色电影出现了。此外，

20世纪

50年代，发展了宽

银幕电影和两卷底片同时投影到一个银幕上产生三维空间效果的

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立体电影。看立体电影的观众必须戴上偏振眼镜，使每只眼睛分

别看到分离的影像，组合起来就产生立体视觉效果，然而立体电影

只流行了一段短时间。

内燃机

在石油馏分煤油照明被电气照明取代的同时，一种石油轻馏分

汽油对另一项技术发展起了十分重要的作用。这项技术使现代生

活变化程度之深，就像电气设备进入生活一般。这项发展就是内燃

机。顾名思义，内燃机是利用燃料在发动机汽缸中燃烧产生的气体

直接推动活塞。一般的蒸汽机都是外燃机，燃料先在外部燃烧，然

后将预先形成的蒸汽导入汽缸。

汽车

这种紧凑的装置可以利用汽缸内的小规模爆炸为小型车辆提

供原动力，庞大的蒸汽机不适用于这种目的。事实上，早在

1786

年，不用马拉的蒸汽驱动的车辆已由默多克设计出来。一个世纪

后，美国发明家

F. E.斯坦利发明了著名的斯坦利蒸汽机，与配置

内燃机的早期车辆进行了竞争。然而，后者有发展前途。

实际上，一些内燃机在

19世纪初石油未广泛使用前就已建

造。它们以松节油蒸气或氢作燃料。但是，惟有既易燃又可以大

量得到的汽油，才使内燃机成为非希奇之物。

第一部实用的内燃机是在

1876年由法国发明家勒努瓦制造

的。他用这部内燃机推动一辆小车，成为第一部以内燃机作动力的

无马马车。1876年，德国技师奥托得知勒努瓦的发动机后，设计了

一种四冲程发动机（见图

9-9）。发动机运转时，首先由一个紧密装

在汽缸内的活塞向外推，把汽油和空气混合物抽入真空的汽缸中，

第九章 机 器

第九章 机 器

图 9-9奥托的四冲程发动机，建造于 1876年

然后活塞再向内推，压缩汽缸内的气体。压力达到最大时，混合气

体便燃烧爆炸，爆炸力向外推动活塞，以此使发动机发出动力，带动

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一个轮子，使活塞再向里推，把废气排出，这是第四步，也是最后一

步。接着，轮子再向外推动活塞，冲程重新开始。

不久，一位名叫克拉克的苏格兰工程师改进了这种发动机。他

接入第二个汽缸。这样，一个汽缸中的活塞复位时，另一个就开始

工作。这种方法使动力输出更趋稳定。后来，接入的汽缸越来越多

（现在一般是八缸），这种往复式发动机增加了稳定性和输出功率。

要想把汽车设计得更为实用，发动机是关键，但还要有一些辅

助性发明。例如，油气混合气体如何在最恰当的时刻燃烧，便是一

个问题。人们试用了各种方法，但都不能取得满意的效果；到

1923

年，利用电能成为普遍可行的方法。发动机所需的电能由蓄电池

供。蓄电池同其他类型的电池一样，也是靠化学反应产生电能，不

同之处只是可以反复充电，充电方法是按放电的逆反应方向通入电

流，使放电的化学反应逆行，从而达到充电的效果。至于电流则是

由发动机带动的一台小型发电机供给的。

最普通的蓄电池为交替置于适当的浓硫酸槽内的铅板和氧化

铅板。这种电池是法国物理学家普朗泰在

1859年发明的。后来，

美国电力工程师布拉什在

1881年把它改进成现在的样式。在此之

后，更耐用、更小型的电池（如

1905年爱迪生发明的镍-铁电池）陆

续问世，但在经济效益上都比不上铅蓄电池。

蓄电池的供电储存在叫做感应线圈的变压器的磁场内，这个磁

场消失时会升高电压，在火花塞的火花隙上点火。

内燃机一旦点燃，惯性便会使它在各动力冲程间保持运转，但

是在这之前，发动机必须依靠外界能量来启动。启动方式最初是用

手，例如老式汽车的曲柄。直到今天，外装马达和动力剪草机仍靠

猛拉绳索启动。启动汽车需要用很大力量摇动曲柄。发动机开启

转动后，曲柄往往会突然脱手而打伤手臂。1912年，美国发明家凯

特林发明了自动启动机，最终取代了曲柄。这种启动机由蓄电池供

第九章 机 器

第九章 机 器

给电能，启动发动机运转。

第一批实用汽车分别由德国工程师戴姆勒和本茨在

1885年制

造成功，然而真正使汽车成为大众化交通工具的却是大规模生产技

术的发明。

首创大规模生产技术的是美国的惠特尼。而使惠特尼名声大

噪的并不是由于他发明了大规模生产技术，而是由于他发明了轧棉

机，两者相比，前者的贡献要大得多。

1789年，惠特尼与联邦政府签

订了一份为军队制造枪械的合同。在此之前，枪是一支一支地单独

制成的，零件不能互换。因此，惠特尼开始设想如何把零件的规格

统一起来，使之适用于任何枪支。这项简单的革新，即制造某种类

型产品的可互换标准部件，也许就是现代工业大规模生产的起源之

一。动力机床的问世，终于使大规模生产标准部件成为可能。

美国工程师福特是最先把惠特尼的设想充分发挥的人。他在

1892年制造出他的第一辆双气缸汽车后，在

1899年到底特律公司

任总工程师。公司的希望是按客户的要求生产汽车，但福特有自己

的构想。于是他在

1902年辞职，转而从事自己的大规模造车事业。

1909年，他开始制造标准

T型车。

1913年，他着手按惠特尼的构想

进行大规模生产：汽车一辆接一辆出厂，每辆都一模一样，全部用相

同规格的零件装配。

福特采取类似于使用机器的方法来利用人力，即让工人一成不

变地反复从事相同的简单工作，从而加快生产速度。美国发明家科

尔特（左轮手枪的发明人），在

1847年朝着这一方向迈出了最初的

步伐；汽车制造商

R. E. 奥尔兹在

1900年第一次利用这个体系来

制造汽车。后来，R. E. 奥尔兹由于资金短缺而由福特接手进行，并

最终取得了令人满意的成果。福特建立起装配线，由工人们在各自

的固定岗位上把部件安装到传送带送来的汽车组合体上，从装配线

末端驶下的就是组装完毕的汽车成品。从经济角度来看，这种生产

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系统有两大优点：一是可以提高工人工资；二是可以大幅度降低汽

车售价。

到

1913年，福特一天生产

1 000辆

T型车，到

1927年，生产线

停止使用之前，已有

14 500万辆

T型车出厂，价格降到

290美元一

辆。然而在这以后，消费者追求新型汽车占了上风，迫使福特顺应

潮流，把设计重点集中在车型的变化和外观的新奇上，从而大幅度

提高了汽车售价，使美国人失去了本应由大规模生产而带来的许多

好处。

1892年，德国机械工程师狄塞耳研究出一种改进型内燃机，所

采用的燃料简便而经济。他把油-气混合气体施以高压，再利用高

压气体释出的热能引发自燃。狄塞耳发动机，即柴油机，使不会产

生爆震的高沸石油分馏物也派上了用场。由于所用的压力更高，柴

油机必须制造得更坚固，而比汽油机重许多。从

20世纪

20年代研

制出优质的喷油系统之后，立即将柴油机用于卡车、拖拉机、公共汽

车、船舶和列车机车等。如今，柴油机已无可争议地成为运输业之

王。

同样，汽油本身的改进也提高了内燃机的效率。汽油是由碳和

氢原子构成的复杂分子（烃）混合物，其中一些燃烧速度较快。但

是，燃烧速度太快并不是人们所希望的，因为它会使油-气混合气

体在多处同时爆炸，而使发动机爆震。反之，较慢的燃烧速度可以

使气体均匀膨胀，平滑而高效率地推动活塞。

某种汽油的爆震程度通常由其辛烷值来计量。所谓辛烷值就

是某种汽油的爆震程度与另一种混合气体爆震程度的比值，该混合

气体是由高爆度的正庚烷和低爆度的异辛烷按比例混合而成的。

精炼汽油的重要作用之一，就是生成高辛烷值的烃混合物。

另一方面，汽车发动机一直朝着高压缩比的方向发展，也就是

说油气混合气体在燃烧前要压缩至更大的密度。压缩可使汽油产

第九章 机 器

第九章 机 器

生更大的能量，但同时也会增加其爆震的程度。因此，继续提高汽

油的辛烷值是需要开发的课题。

其实，我们可以往汽油中掺入少量化学物质来降低爆震。其中

最有效的防爆震剂是四乙铅。这种铅化合物的特性是美国化学家

米奇利发现的，从

1925年开始，就用于抑制爆震。含有四乙铅的汽

油通称为加铅汽油或乙基化汽油。如果只往汽油中掺入四乙铅，汽

油燃烧时生成氧化铅会堵塞并损坏发动机。因此，还要加入溴化乙

烯。四乙铅的铅原子与嗅化乙烯的溴原子结合成溴化铅，在汽油达

到燃点时被汽化，并随着废气排出，从而延长发动机的寿命。

此外，柴油通常都要和一种叫十六烷的烃比较，进行压缩滞燃

（滞燃值过高，不合要求）试验。十六烷的分子中含

16个碳原子，而

异辛烷只含

8个。因此，人们用十六烷值评价柴油质量。

对汽车的改进仍在不断进行。

1923年，低压轮胎问世，

20世纪

50年代，出现了无内胎轮胎，使爆胎事故大为减少。此外，在

20世

纪

40年代，小卧车有了空调设备，自动排档投入使用，逐渐取代了

变速器。20世纪

50年代，动力转向和制动系统相继研制成功。如

今，汽车已经成为美国生活方式不可缺少的一部分。除了汽油售价

高涨与日益严重的污染外，似乎没有什么更大的意外能阻止汽车继

续发展。

飞机

大型汽车是公共汽车和卡车，石油进一步取代煤而成为大轮船

的燃料。然而，内燃机的最大成就却是来自空中。人类到了

19世

纪

90年代，终于实现了一个比希腊神话中会飞的代达罗斯和伊卡

罗斯还要古老的梦想——在空中翱翔。当时，滑翔成为冒险爱好者

的时兴运动。第一架载人滑翔机由英国发明家凯莱在

1853年制造

成功，当时所谓载人只不过是载了一个小男孩。不幸的是，第一个

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致力于实现此梦想的德国工程师利林塔尔在

1896年的一次滑翔飞

行中失事。尽管如此，滑翔作为一项运动一直长盛不衰，然而也就

是从那时起，人们开始了对动力飞行的迫切追求。

美国物理兼天文学家兰利在

1902～1903年试用内燃机来推动

一架滑翔机，差一点就取得了成功，若不是后来他经济拮据，也许再

进行一次试验就真的飞上天了。众所周知，这个荣誉最后归于制造

自行车、以驾驶滑翔机为业余爱好的莱特兄弟。

1903年

12月

17日，在美国北卡罗来纳州的基蒂霍克镇，莱特

兄弟使一架螺旋推进的滑翔机在空中停留了

59秒，飞行距离达

260

米（

852英尺）。这是历史上的首次飞机飞行，但在当时并未受到广

泛注意。

直到莱特兄弟能飞行

40多公里，而法国工程师布莱里奥第一

次驾驶飞机横越英吉利海峡之后，飞机才引起公众的极大关注。第

一次世界大战的空战和飞机创下的功绩进一步激发了人们的想象

力。机翼由不安全的木条和铁丝固定的昔日的双翼飞机，只有看战

后的一批电影才会了解到。第一次世界大战结束不久，德国工程师

容克成功地设汁出一架单翼飞机，这种飞机的机翼厚而坚固，不再

用支架固定。没过多久，双翼飞机便完全被单翼飞机取代。

1939

年，俄国血统的美国工程师西科尔斯基制造出一架多引擎飞机，并

设计出第一架螺旋桨在上面的、可垂直升降及盘旋的机种——直升

飞机。

但是在

20世纪

20年代初期，飞机仍然是一种新奇之物——无

非是一种更加可怕的战争工具或者是身怀绝技的飞行者和追求刺

激的探索者手中的一种玩物。航空并没有真正开始。到

1927年，

林白从纽约到巴黎做首次不着陆飞行之后，全世界才为之疯狂。从

那时起，人们开始研制更大型、更安全、性能更好的飞机。

自从飞机用作运输工具以来，飞机发动机取得了两个重要突

第九章 机 器

第九章 机 器

破。第一个突破是采用了涡轮喷气发动机（图 9-10）。在这种发动

机中，高温膨胀的燃料蒸气在涡轮的叶片上施加压力而使轮子旋

图 9-10涡轮喷气发动机。空气被吸入压缩后与燃料混合，导入燃烧室

中燃烧，膨胀的气体推动涡轮机产生推力

转，取代了汽缸中活塞的往返动作。这种发动机操作简单，耗油少，

不易损坏，但却需要研究出可以承受气体高温的合金才能投入实际

应用。 1939年，这种合金终于问世。从此，涡轮螺旋桨飞机便越来

越普遍了。

但是没过多久，第二个重大突破——喷气式飞机便取代了涡轮

螺旋桨飞机，至少在长途飞行上是如此。喷气式飞机的动力原理同

于玩具气球开口泄气时喷出空气可将其猛然推进的道理。这便是

作用与反作用，朝一个方向喷出的膨胀气体所产生的力，必然会在

相反方向产生一个大小相同的力，如同子弹从枪筒射出时会产生后

座力一样。在喷气式发动机中，燃料燃烧生成高温高压气体，气体

从排气口喷出时便产生巨大的力，推动飞机前进。火箭也是用同样

方法推进的，只是它必须本身携带供燃料燃烧的氧。

喷气推进的专利早在 1913年就被法国工程师洛林所取得，但

是当时的飞机还无法实际应用这种设计。喷气推进只有在时速 645

公里（ 400英里）以上时才有经济价值。 1939年，英国人惠特尔终于

首次驾驶一架道地的喷气式飞机飞行。到 1944年 1月，英国和美

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国将喷气式飞机投入战场，用来对抗德国的 V-1飞弹，一种前部装

有炸药的无人驾驶飞机。

图 9-11简单的液体燃料火箭

第二次世界大战以后，军用喷气式飞机已发展到接近音速。音

速取决于空气分子的天然弹性，即空气分子的振动能力。当飞机接

近音速时，空气分子无法再让路，于是飞机前面形成一道压力，使飞

机变形。因此，所谓的音障在当时认为是无法解决的难题：要想接

近它，就必定造成损坏。然而，风洞试验找到将飞机设计成更佳流

线型的途径。1947年 10月 14日，耶格尔驾驶的一架美国产 X-1

火箭飞机终于突破了“音障”，成为历史上超过音速的第一人。 1950

年初，美国在朝鲜战争中使用了喷气式飞机。

物体在介质中的运行速度与音速（在 0℃每小时 1 200公里）之

比，称为马赫数。这是为纪念奥地利物理学家马赫而命名的，因为

他率先在 19世纪中叶从理论上研究物体在接近音速时的情况。20

世纪 60年代，飞机的速度已超过 5马赫，这个速度是一架实验用的

火箭飞机 X-15达到的，火箭推进器把 X-15送上万里高空，使飞行

员当了一小会儿真正的宇航员。一般说来，军用飞机的速度比较

低，而商用民航飞机的速度就更低了。

当飞机做超音速（马赫数大于 1）飞行时，由于飞机的飞行速度

比声波单独在空气中传播的速度快，所以它的前部总是携带其自身

第九章 机 器

第九章 机 器

发出的声波。这时如果飞机开始飞得足够低，被压缩成锥状的声波

会与地面相擦而产生响亮的声震（甩动皮鞭发出的爆裂声是一种微

声震，只要控制得当，皮鞭的末端可以甩出超音速的速度）。

1970年，英法联合研制的协和式超音速喷气客机开始投入商业

飞行。它的速度是音速的

2倍，只需

3小时便能横渡大西洋。美国

的模式是超音速运输机，但由于人们担心这种飞机会在机场附近产

生强烈噪音并造成环境污染，终于在

1971年宣告流产。有人指出，

一种尖端技术研究成功后，因不实用而被扼杀，这在历史上还是第

一次，这也是人类首开“能为而不敢为”的先例。

总的来看，采取这种措施无可厚非，因为坚持下去似乎得不偿

失。协和式飞机在经济效益上失败了，就连苏联也难逃厄运——它

的超音速计划在

1973年因一架飞机在巴黎航空展览会上作飞行表

演失事而夭折。

电子学

无线电

1888年，赫兹进行了麦克斯韦早在

20年前就曾提出的无线电

波实验（见第八章）。他的做法是将两个金属球隔开少许，然后轮流

向这两个金属球加瞬时高压交流电。每当电压在一个方向或另一

个方向达到峰值时，金属球间就会打火花。据麦克斯韦方程预算，

在这种情况下应当产生电磁辐射。赫兹用相隔狭窄空隙的金属线

圈作为接收器来检测辐射能量。每当电流使一个线圈产生辐射时，

应当能使第二个线圈感应出电流。这足以肯定，赫兹能检测出由置

于房间一端的辐射线圈所产生的并透过空气间隙而传到房间另一

端的接收线圈上的小火花，能量是穿过空间而进行传递的。

将他的检测线圈移到室内不同的地点，赫兹能得出波形。凡是

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火花极亮的地点，便是波的波峰或波谷；凡是无火花出现的地点，便

是相邻波峰和波谷的中点。赫兹据此算出了辐射的波长，结果他发

现这种波的波长远大于可见光的波长。

在这以后的

10年中，许多人认为赫兹波能用来传递两地间的

信息，因为它的波长足以越过地形障碍。

1890年，法国物理学家布

冉利改进了原有的接收器。他不使用金属线圈，代之以填充金属屑

的玻璃管，用导线将该玻璃管与电池连接。金属屑并不传导电池的

电流，除非受到高压交流电即赫兹波的感应。布冉利通过这种接收

器可以在

137米（

150码）的距离外测出赫兹波的存在。随后，英国

物理学家洛奇再次改进了接收装置，成功地接收到发自

805米（半

英里）以外的信号，并成功地传送了莫尔斯电码电报。

此外，意大利发明家马可尼发现，将发射器和接收器的一端接

地，另一端用电线引出，能改善发报，这便是人们后来所说的触角天

线——我想这名字是因为它的外形像昆虫的触角。

1896年，借助于

大功率发射机，马可尼已能将信号发送到

14.5公里（9英里）之外；

到

1898年，信号已能越过英吉利海峡，而

1901年，信号能跨过大西

洋。至此，无线电报宣告诞生，简称无线电。

马可尼进而研制出一套系统，它能排除其他信号的静电干扰，

只在发射器本身的特定波长下才产生调谐作用。由于此项发明，马

可尼与德国物理学家

K. F.布劳恩共同获得了

1909年的诺贝尔物

理学奖。

K. F.布劳恩获奖是因为他发现某些晶体只能通过直流

电，于是一般交流电被整流成无线电设备所需的直流电。尽管晶体

的性能并不稳定，人们还是在

20世纪最初的

10年中研制出多种晶

体接收机，用来接收信号。

另一方面，美国物理学家费森登废弃了以前那种透过空隙传递

火花的装置，研制出一种特殊的高频交流发生器，并设计了一套能

调制无线电波的系统，以载送声波模拟信号。由于受调制的是波幅

第九章 机 器

第九章 机 器

（波高），所以称之为振幅调制，这就是我们熟悉的调幅无线电。

1906年的圣诞之夜，人类第一次从无线电收音机中听到音乐和人讲

话的声音。

早期的无线电爱好者必须头戴耳机或紧挨在收音机旁才能听

到声音。显然，需要用某种方式加强或放大信号，而这个问题终于

被爱迪生的发现解决了，这也是爱迪生在“纯”科学领域中的惟一发

现。

1883年，爱迪生在一次改进电灯泡的实验中，将一根金属线封

入灯泡中，使之靠近热灯丝，当点亮灯泡时，意外地发现，电流竟然

从灯丝穿过空隙流到了金属线上。因为这种现象对爱迪生改进灯

泡并无益处，而他又是个重视实效的人，于是他只在笔记本上记下

这个效应，日后也就忘了。但是电子被发现后，爱迪生效应就变得

相当重要了。它可以用来解释空隙中的电流就是一束流动的电子。

英国物理学家理查孙在

1900～1903年间进行的实验证明，电子会

从真空中加热的灯丝上“跳出”。这一成果使他在

1928年荣获诺贝

尔物理学奖。

1904年，英国电气工程师夫累铭充分利用了爱迪生效应，取得

了辉煌的成果。他在灯泡灯丝（称为丝极）的周围围上筒形金属板

（称为板极）。板极有两种作用：当它处于正电位时，就吸引从热灯

丝上跳出的电子，形成有电流流通的通路；当板极处于负电位时，会

排斥电子而阻断电流流动。假设板极与一交流电源相接，电流朝一

个方向流动时，板极带正电，则电流在灯管内通畅无阻；若电流方向

改变，板极便带负电，则灯管内没有电流。因此，板极的功能是只允

许单方向的电流通过，换句话说，它可以将交流电转变为直流电。

由于此管很像一个电流阀，英国人自然而然地直接称之为“valve”，

而美国人则称之为“tube”，中文对两者都译为“真空管”。因它有两

个电极——丝极和板极，所以科学家称之为二极管（图

9-12）

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图 9-12真空二极管原理

真空管（亦称无线电真空管，因为最初是应用在无线电上）所控

制的是真空管中的电子流，而不是通过电线的电流。由于电子比电

流容易严密控制，所以真空管及其衍生出来的所有装置能起过去电

路器件所不能起的作用，为电子装置开拓出一片全新的领域。一切

有关真空管及其后代装置的研究和应用统称为电子学。

当时，人们用最简单形式的真空管取代晶体而作为新的整流

器，因为它的可靠度比晶体高。 1907年，美国发明家德福雷斯特进

第九章 机 器

第九章 机 器

一步改进，将第三个电极置于真空管中，从此，三极管便诞生了（图

9-13）。第三个电极（栅极）是一块布满小孔的金属板，位于丝极与

板极之间，它能吸引电子，加快电子从丝极向板极流动（穿过栅极上

的小孔）。因此，只要给栅极增加少量正电荷，从丝极流向板极的电

子便大量增加。这样，即使是加上极弱的无线电信号，也同样会使

电流大量增加，而这一电流可以完全反映加在栅极上的无线电波的

各种变化。换言之，三极管就是一个放大器。事实上，三极管在经

图 9-13三极管原理

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过更为复杂的改进后，不但可供收音机使用，而且成为所有电子仪

器的主要器件。

下一个目标便是使无线电收音机完全普及。在第一次世界大

战期间，美国电气工程师

E. H. 阿姆斯特朗研制出一种可降低无线

电波频率的装置。这种装置当时是用来侦察飞机行踪的，战后用到

无线电接收机上。

E. H.阿姆斯特朗的超外差式接收机只要拨动

一个旋转盘就可以调谐到预设的频率，在过去，经过一连串复杂操

作后只能在一个较广的可能的频率范围内调节接收。

1921年，匹兹

堡的一家电台第一次正式播出广播节目，之后，其他的电台如雨后

春笋般地纷纷建立。由于音量控制和选台只旋转旋钮即可，收音机

受到广泛欢迎。正因为无线电的应用已相当发达，

1927年洲际电话

开始投入使用，无线电话由幻想变成了现实。

待解决的问题是静电干扰问题。由马可尼及其后继者所研制

的调谐系统最多只能降低诸如闪电和其他电源产生的噪声，并不能

彻底消除噪声。后来，还是

E. H.阿姆斯特朗想出了解决的办法。

因为前述振幅调制往往也将噪声调制进来，使原来的信号受到干

扰。于是，阿姆斯特朗在

1935年用频率调制取代了振幅调制，也就

是，他使无线电载波振幅保持不变，而将声音信号以载波频率的高

低变化表现出来。声波波幅大，载波频率便低，反之亦然。事实上，

频率调制消除了静电干扰现象。第二次世界大战以后，调频收音机

逐渐受到大众欢迎，用来接收各种音乐节目。

电视

像无声电影必然会导致有声电影那样，电视机是收音机的必然

后继产品。先有技术是使图像转换成电流信号，然后用电线将图像

传送出去。利用一道细光束穿透一张胶片上的图像，将图像投射到

胶片后面的光电管上。胶片相对较暗之处，由于透过的光较弱，光

第九章 机 器

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电管中产生的电流也较弱；而较亮之处，因透过的光较强，则产生较

强的电流。光束由左至右逐行快速扫描，把整个图面的深浅明暗一

一转换成连续变化的电流信号。电流信号由电线传至接收站，经相

反的程序处理之后，便还原成原来的图像。早在

1907年，伦敦和巴

黎之间就有了这种有线电传真。

然而，电视传送的是动态画面而不是静止的照片，所以传送速

度必须极快，也就是说每个动作都应很快地被扫描。因此，摄像机

利用一薄层金属取代胶片，薄层金属受到光照射便发射出电子，从

而把黑白图像转换成电脉冲。

苏格兰发明家贝尔德在

1926年曾演示过一种电视。然而，第

一台实用电视摄像机的光电摄像管则迟至

1938年才由俄国出生的

美籍发明家兹沃尔金获得专利。光电摄像管位于摄像机的后部，管

子内部涂抹大量铯银细粉。每粒细粉受到光束扫描便随光束亮度

强弱而发射电子。后来，超正析像管取代了原来的光电摄像管。这

是一种经过改进的新产品，涂覆铯银粉的屏幕很薄，能够使发射出

的电子继续向前撞击一块薄玻璃板，发射出更多的电子。这种放大

作用可以提高摄像机镜头对光的灵敏度，因此不需要强光。

电视接收机是阴极射线管的一种。从电子枪发射出的电子束

撞击涂抹了荧光物质的屏幕，屏幕便随电子束强度成比例地发出辉

光。一对电极产生的电场，控制电子束的方向，使之从左到右连续

对数百条横线进行扫描，每一行稍低于前一行，在

1/30秒内以这种

方式将画面完全“绘画”在屏幕上。电子束以每秒

30次的速率不断

地绘画着画面。在任一瞬间，屏幕上仅有一个点被扫描到（明、暗视

电子束强度而定），但是借助视觉暂留现象，我们不仅能看到完整的

画面，而且能看到连续不断的运动和动作。

20世纪

20年代，电视还处于实验性播送阶段，到

1947年，电视

才有了商业实用价值。从那以后，电视便逐渐占领了几乎整个娱乐

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领域。

20世纪

50年代中期，电视技术又有了两项突破性发展。其一

是将三种不同性质的荧光材料涂在屏幕上，使发出的光束有红、蓝、

绿三种颜色，彩色电视机便正式诞生。其二是开发出录像带，使得

我们能将复制的节目或重要新闻，以比电影更好的质量呈现在观众

眼前。

晶体管

20世纪

80年代，整个世界可以说是处于卡式录音机和录像机

的全盛时期。必要时装上电池，小小的录音机便能自动倒带、卷带，

放出高保真音乐节目。这样，人们在散步或做家务时，只要戴上耳

机就可以享受别人得不到的乐趣。而卡式录像机则可以录制电影

和电视节目以后可以随时播放欣赏。

作为所有电子装置心脏的真空管终于成了一种限制因素。一

般，随着时间的推移，一个电子装置的元件的功能总是不断改进的，

也就是说，它们的功率会更大，适应性会更强，体积会更小（有时我

们称这一过程为小型化）。然而，真空管逐渐变成了小型化道路上

的障碍，因为它必须保持足够大的体积，以造成一定的真空，否则各

元件间空隙太小就会漏电，使装置不能正常工作。

此外，真空管还有其他缺点。只要破裂或漏电就得报废。（早

期的收音机和电视机内的真空管常要更换，电视机尤其如此。）不仅

如此还必须将真空管的丝极加热到一定程度才能工作，所以需要

相当大的电流，而且还需要预热时间。后来，在偶然之中意外地找

到了解决办法。在

40年代，贝尔实验室的几位科学家对如今称为

半导体的物质逐渐发生了浓厚兴趣。这些物质（如硅和锗）的导电

性介于良导体和绝缘体之间。问题是要搞清这些物质为什么会有

这种特性。贝尔实验室的研究人员发现，往上述物质中掺入痕量杂

第九章 机 器

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质，便会增加它们的导电性。

我们以纯锗晶体为例。每个锗原子的最外层有

4个电子，而在

晶体内整齐排列的原子中，

4个电子的每一个都与邻近原子所含的

4个电子中的某一个成对地结合在一起，因此，所有的电子都是很稳

定地联结成对的。由于这种排列方式与钻石的排列方式相似，所以

锗、硅和其他类似这种结构的物质统称为金刚结构。

如果在这种体系完整的金刚结构内掺入一点砷原子，情况会变

得更为复杂。砷的最外层有

5个电子，其中

4个电子将与其原子核

整个取代锗原子的位置，与邻近的锗原子依照前述排列方式紧挨在

一起，电子亦成对结合，惟独第五个电子因没有配对而自由流动。

这时，如果往此晶体上加一电压，这个自由电子将向正极移动。但

它终究无法像金属导体中的自由电子那样快速地移动。不过，这种

晶体的导电性还是要比硫磺、玻璃等绝缘体好。

这种情况还不令人吃惊。我们再来看看另一种更为奇特的情

况。假如我们不是向锗晶体加砷而加硼的话，由于硼原子的最外层

只有

3个电子，它们分别与

3个邻近锗原子所属的电子配对，但余

下

1个锗的电子怎么办呢？它只好与空穴配对。空穴这个词用得

恰如其分，因为就纯锗晶体而言，这个位置上的电子本来可以顺利

地找到一个“伴侣”的，如今却遗留下一个空穴。如果向掺硼的晶体

加一电压，邻近的电子受正电极的吸引向前递补，而在原来的位置

留下一个空穴，于是下一个电子又来递补。表面上看来，虽是电子

向正电极方向移动，但究其本质，我们也可以说是空穴向负极移动。

简言之，空穴居然变成了电流的载体。

为使工作情况良好，晶体的纯度必须相当高，而且掺入的几种

特定杂质（砷或硼）必须适量。于是，具有

1个游离电子的锗-砷半

导体就叫做

n型半导体（n是“负”的意思），而锗-硼半导体由于它有

游离的空穴，如同带正电一样，所以是

p型（p是“正”的意思）。

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半导体不同于一般导体之处，是它的电阻会随温度升高而下

降，因为温度会减低原子对电子的束缚，使它们更为自由地游动。

常温下，金属导体内的自由电子已经毫无束缚。升高温度，将使自

由电子更加任意运动，阻止它们流动取决于电场。人们测定半导体

的电阻，就能测出用其他方法无法测量的高温。这种可以测量温度

的半导体叫做热敏电阻。

不仅如此，结合的半导体能发挥更大的作用。假设我们把

1个锗

晶体的一半做成

n型，另一半做成

p型。若

n型侧接至负极，

p型侧接

至正极，则

n型侧的电子会穿过晶体接触面到达正极，而

p型侧的空

穴也会同时游向负极，于是晶体中便有电流流通。这时，如果我们把

正负极对调，也就是正极接

n型，负极接

p型，那么

n型的电子便会直

接游向正极，而

p型侧的空穴也远离

n型至负极。结果，晶体接触面

附近既无电子，也无空穴，电流无法通过，电路便中断。

因此，我们有了一种新的整流器。若将交流电接至这种双重

晶体，则电流只能向一个方向流动，交流就变成直流。这种晶体可

用作二极管，起真空管的作用。

从某种角度来看，电子元件的发展经历了整整一个循环。当

初，真空管取代了晶体，现在，它又被晶体取而代之，但这种新晶体

远比

K. F.布劳恩

50年前开发的晶体精密、稳定得多。

新的晶体具有真空管所不能比拟的许多优点，不需要抽真空，

因此体积可以做得很小；不易破裂或漏电，在常温工作只需要很小

电流。此外，更不需要预热时间。若能降低成本，而且制造得更精

密，简直可以说是完美的产品。

由于新的晶体都是由固态物质组成，它开拓了一个新的领

域——固体电子学。根据贝尔实验室研究人员皮尔斯的建议，这

种新器件被命名为晶体管，因为它是使信号通过电阻传送出去的

（图

9-14）。

第九章 机 器

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图 9-14晶体管中接触面工作原理

1948年，贝尔实验室的肖克利、布喇顿和巴丁研制出有放大

作用的晶体管。他们在两片 n型锗中间夹一层极薄的 p型锗，其

作用相当于三极真空管中介于丝极和板极之间的棚极。只需控制

中间那一薄层 p型锗的正电荷，空穴便能越过结点控制电子流。

此外，只要 p型上的电流发生小变化，就能使整片晶体上的电流发

生大变化。因此，它同三极真空管一样起放大器作用。肖克利和

他的同事布喇顿及巴丁因此而共同荣获了 1956年的诺贝尔物理

学奖。

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在理论上晶体管虽能良好地工作，但要将它们投入实际应用，

还需要某些伴生的先进技术——应用科学的发展一向如此。晶体

管的工作效率完全取决于晶体材料的纯度，所以必须严格控制待

掺入的杂质的性质和浓度。

幸运的是，帕恩在

1952年开发出名为区域溶炼法的新技术。

假设有一根锗晶体棒，将它置于环形加热元件的圆孔中加热时，靠

近热源的那部分锗棒便会逐渐熔融，若将此棒在圆孔中上下抽动，

则熔区便随之移动，于是杂质留在熔区，最后完全沉积在锗棒的底

端。上述步骤经过数次，锗棒的主体的纯度就相当高了。

到了

1953年，晶体管已经可以用来制造助听器，因而缩小了

助听器的体积，能够放入耳内使用。在短短的时间内，晶体管不断

稳步发展，已经能够在高频段工作，能经受高温，而且体积越来越

小，最后甚至小到不再作为单独元件使用的程度。取而代之的是，

在小小的硅晶片上极微细地蚀刻出许多集成电路，一个晶片能承

担千万个真空管所承担的工作。到了

20世纪

70年代，这些硅片

已经小到可以称之为微晶片了。

像这种风行全球的微小固体元件，可说是掀起了人类历史上

最浩大的科技革命。它们不仅能使收音机做成更小，而且能把许

多功能浓缩在硅片上，用于人造卫星和探空火箭。最重要的是，在

20世纪

80年代，它们使得空前小型、空前便宜、功能更多的电脑

以及机器人的开发成为可能。关于电脑和机器人，将在第十七章

中讨论。

微波激射器和激光器

微波激射器

近年来，科学技术的另一突飞猛进的发展，起始于对氨分子

第九章 机 器

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（NH3）的研究。氨分子中的

3个氢原子分别位于一个等边三角形

的三个顶点上，而

1个氮原子则位于三角形中心偏上方。

因此，氨分子内部可能产生振荡，也就是说氨原子沿三角形平

面以等距向两边来回振动，其自然频率为每秒

240亿次。

最重要的是它的振荡周期相当稳定，比任何人造振荡器的振

荡，甚至比星体的运行都要稳定得多。这种振荡的分子可以用来

控制电流，而电流再控制计时器，其准确度达到前所未有的程度。

1949年，美国物理学家莱昂斯率先把这一研究成果公布于众。到

了

20世纪

50年代中期，这种原子钟在性能上已经超过了所有的

普通计时器。如果利用氢原子，其计时精确度达到

170万年仅误

差

1秒。

氨分子在振荡过程中，会放出频率为

24×109赫的电磁波。这

种电磁波的波长为

1.25厘米，属于微波范围。我们可以从另一

个角度来解释这种现象：假设氨分子占据两个不同能级中的一

级，两能级差等于波长

1.25厘米的光子的能量。若氨分子从高能

级掉到低能级时，就会发射出上述波长的光子。反之，若位于低能

级的分子吸收了这一波长的光子，便能上升至高能级。

但是，若用这种能量的光子去照射已处在高能级的氨分子，又

会出现什么情况呢？早在

1917年，爱因斯坦就指出，如果发生这

种情况，这个位于高能级的分子会再度被拉回低能级，同时会循着

入射光子的方向放出

1个与其一模一样的光子。这么一来，便出

现了

2个同等大小的光子，其中只有

1个是原来的入射光子。以

上的学说在

1924年得到了证实。

因此，用微波照射氨分子会产生两种可能的变化，一种是氨分

子从低能级升至高能级，另一种是自高能级降到低能级。在一般

情况下，前者发生的概率较大，因为在任何时候分子处在高能级的

机会毕竟不多。

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然而，若是我们能运用某些方法使全部或绝大多数分子都处

于高能级，那么岂不是后者发生的机会就较多？的确，这会导致发

生一些十分有趣的情况：当第一束微波光子撞击到分子后，将它

推至低能级，随即放出第二个光子，这

2个光子又分别加速撞击另

外

2个分子，再放出

2个光子，此时共有

4个光子，便能使氨释放

出一大堆同样大小而且运动方向完全相同的光子。

1953年，美国物理学家汤斯研制出一种方法，将氨分子先固

定在高能级，再利用波长适度的微波光子去激励它们。只要有少

量的光子射入，便能放射出大量相同的光子，也就是相当于入射的

微波被放大了许多倍。

这个过程被称为微波激射放大，这种仪器被称为微波激射器。

微波激射器发展得很快，因为可以使固体中的电子占据高能

级或低能级。最初的微波激射器只是间歇式的，固态的和气态的

同时存在。也就是说先将氨分子提升至高能级，然后去激励它们。

经过一阵快速辐射后，必须重新将氨分子提升至高能级再去激励，

才会再有大量光子放射出来。

后来，荷兰出生的美籍物理学家布洛姆伯根提出用三能级系

统来克服这个缺点。如果微波激射器选用的芯材具有高、中、低三

种能级的电子，那么能级的提升和能量的释放便能同时进行。先

使电子自低能级升至高能级，再利用波长适度的光子去激励它们，

使它们先掉至中能级，再至低能级。所以，只要有提升能级和激励

微波的两种不同的光子，就不会使两个过程相互干扰。这样：连续

性微波激射器终于问世。

微波激射器可以作为微波放大器，能够非常灵敏地探测太空

中的电波，一旦收到来自外层空间的极微弱的微波束，就能高保真

放大，恢复其原始射线特性。（安全再现原始特性，会出现很小的

“噪声”。在这方面，微波激射器是绝无噪声的。）微波激射器还被

第九章 机 器

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带到外层空间使用。苏联在 1965年 11月 30日发射的宇宙

97号

人造卫星上的微波激射器，工作情况良好。

由于汤斯的贡献，他和其他两位在微波激射器理论方面单独

进行研究的苏联科学家巴索夫及普罗霍罗夫共同获得 1964年诺

贝尔物理学奖。

激光器

从理论上讲，微波激射器技术可应用于任何波长的电磁波，特

别是可见光。汤斯在 1958年提出了将微波激射器应用于可见光

波长的可行方法。产生可见光的微波激射器可称为光激射器。或

者，这个特定过程可称做光波激射放大，这种仪器通常称做激光器

（图 9-15）。

图 9-15连续波激光器由一根石英放电管和两片布儒斯特角窗，以及

位于两端的两块凹面镜构成。管内充满某种气体，其原子经过电磁激发

至高能级后，再受光束激励，使其放射出特定波长的光子。工作原理就

像笛子一般，两个凹面镜之间形成共振腔而产生一串连续的相干波，射

出的细光束即为激光

1960年，美国物理学家梅曼研制成功第一台激光器。他用可

见光去照射一个由氧化铝和少量氧化铬合成的红宝石棒，结果铬

原子的电子被激发至高能级，马上又掉回低能级。最初发射出的

几个光子（波长 694.3毫微米）激发出其他光子，而且红宝石棒突

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然发出比太阳表面光要强

3倍的深红色光。1960年末，在贝尔实

验室工作的伊朗物理学家贾万研制出了一套以氦和氖混合气体作

光源的连续激光系统。

激光器使全新形式的光的产生成为可能。与人们以前做出来

的任何光源相比，激光是最强而且频宽最窄的单色光（单一波长）。

不仅如此，它还有更多的优点。

一般光源，小至萤火虫、柴火，大至太阳光等，不论何种形式，

都由一些较短的波束组成，可以把它们看作是指向不同方法的波

束。一般的可见光就是由无数这种波束组成的。

然而，激光器所激发出的光，其光子的大小与运动方向都相

同，因此每束波的频率都相等，再加上它们是一束束紧密地排成一

行，如同焊接在一起一样，所以可以说这种光是由一长串振幅相同

（等高）、频率相同（等宽）的波束组成的光，也就是所谓的相干光。

其实，物理学家们早已知道如何制作低频相干光，但一直到

1960

年，才做出可见相干光来。

另外，激光的设计是加强光子在同一方向上运动的自然倾向。

红宝石棒的两端经过精细加工，再适当地镀上银层，使之具有平面

镜的效果。入射光子会沿着红宝石的长轴来回振动，经过激励后，

每次都会释放出更多的光子，直到强度足以穿透那层镀银的表面

为止，所射出的光相当精确地与长轴平行。此后，光子便如此地来

回运动，一再地撞击两端的“镜子”。如果这时在一个不同的方向

上（即使只与原来稍有一点差距）有一适当大小的光子入射进来，

顺着这个新的方向便会产生一串受激光子，只要来回反射几次，它

们便又会穿透红宝石两端投射出来。

激光束由相干波组成，彼此平行，即使整个光束发射至极远处

也不会散开。在经过准确聚焦后，激光甚至可以加热一壶远在千

里之外的咖啡。在

1962年的实验中发现，从地球发射的激光在经

第九章 机 器

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过

40万公里的空间旅行之后，在月球表面上只投射出约

3公里直

径的一个光圈。

激光一问世。科学界马上爆发出对之进行进一步研究的热

潮。短短的几年间，从近紫外线到远红外线，数以千计不同波长的

激光纷纷被开发出来。几乎各种固态物质、金属氧化物、氟化物、

钨酸盐、半导体、液态物质、气态物质都可用来获得激光，只是各有

其优劣而已。

1964年，美国物理学家卡斯帕首次发展了一种化学激光，由

一个化学反应（最初是利用光脉冲来离解

CF3I）做为能量来源。

化学激光优于其他普通激光之处在于，释放能量的化学反应可以

与激光本身相互配合，不需外加能源。这就好比一般可用电池供

电的家用电器一样，远比在墙上找插座接电源才能工作的电器方

便。从实际工作效率来看，化学激光的效率比其他类型的激光高，

前者是

12%强，后者是

2%弱。

1966年，兰卡德和索罗金共同研制了有机激光，也就是用一

种复杂的有机染料作为相干光的光源。由于有机物分子的复杂

性，使得电子间的种种反应有可能发出各种不同波长的光。由此可

见，有机激光不像其他激光那样，局限在某一种波长，只要经过适当

的调谐，便发出某一个波段内任何波长的光。

激光光束通常都非常细，因此它将所有的能量都集中在极小

的一点，这一点的温度非常高。利用此特点，激光可用来气化金属

和快速光谱分析。它还可以用来焊接、切割，或在高熔点物体上穿

孔，做出需要的形状。同时，外科医生还发现，适当地用激光照射

眼睛可以迅速将已经松弛的视网膜重新“焊紧”，而不致烧坏附近

的其他组织。同样，还可以用激光切除肿瘤。

为了说明激光用途之广，还有一个通俗但给人印像很深的例

子，那就是当激光快速扫过一个打算删改的错字时，会将那个字的

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墨水蒸发掉，而避免用橡皮更改时擦破纸张，这就是肖洛研制出的

神奇的激光擦。另一个极端产品是激光干涉计，它能以空前的精

度进行测量。地壳应变增强时，可以用多台激光器测出，激光的干

涉条纹的漂移就能测出地壳的微小移动，其精密度可达

10－12。

此外，首次登上月球的人在月球上留下了一套反射镜系统，以便反

射自地球发射出去的激光，准确测出地球和月球的距离。

激光最令人振奋的用途，是利用激光载送通信信号。高频相

干光能把数以千计的频道集中在目前一个频道所占的空间里，这

是目前的广播电视采用相干无线电波所无法达到的。这为我们展

示了这样一幅前景：将来地球上每个人都可以拥有个人通信波

长。自然，这必须对激光加以调制，也就是必须把由声音产生的电

流变化转变成各种激光的变化（例如，改变振幅、频率或转换成开

关信号），然后再变回电流信号。以上设想已在开发中。

可能是光比无线电波更容易受云、雨、雾、露、灰尘等大自然因

素的干扰，所以需用包含若干面透镜（逐渐加强光强度）和平面镜

（在放电管转角处反射用）的放电管来传导激光。但从二氧化碳激

光器推出后，其功率空前，激发出来的等幅激光束即使在红外线区

内也能传播得很远，而很少受大气层的影响。不久将来，大气通信

想必会成为现实。

最直接的实用例子，是用光纤传导经过调制的激光束。光纤

是一种比毛发还细的超透明玻璃管，可以用它取代电话通信用的

绝缘铜线。因为玻璃远比铜便宜、普遍，而且激光又能载带更多的

信息。因此，在许多地方都可以用一束束轻便的光纤取代一捆捆

粗重的铜电缆。

最后，再举激光束的一个最新奇的应用实例：一种崭新的立

体摄影术。一般的照像是一束光自物体反射后，在底片上成像，记

录的只是光的横截面，而没有记录下光所包含的其他潜在信息。

第九章 机 器

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如果将激光一分为二，一束投射到物体上，被该物体不规则地

反射回来，而另一束从平面镜上规则地反射回来。使这两部分光

同时投射到底片上，把它们不同波长的干涉情况同时记录下来。

从理论上讲，干涉条纹包括了每道光的相关信息。显像后，干涉条

纹却看不出来。如果光投射到底片上，并透过底片仍保持干涉特

性，则产生一个包含全部信息的像。这是从物体表面反射回来的

每道光组成的三维影像，可以从表示投影变化的不同角度拍摄影

像。

1947年，匈牙利出生的英籍物理学家伽柏试图探索电子显微

镜清晰成像的方法而提出上述设想，他称之为全息摄影术，是拉丁

文“全部记下”的意思。

伽柏的想法在理论上完全正确，但在当时却无法实现，因为用

普通光不能进行全息摄影。各种波长的光朝着不同的方向运动，

两条光束所产生的于涉条纹相当杂乱，所以根本产生不出任何信

息，结果就像

100万张模糊的影像参差地重叠在一起一样。

然而，激光的问世改变了一切。

1965年，利思和厄帕尼斯在

密执安大学研究出第一套全息摄影系统。从那以后，全息摄影术

飞速发展，甚至有了彩色全息摄影，照出来的干涉条纹用一般的可

见光便能看清楚。此外，微观全息摄影似乎可在生物学研究方面

增加第四维空间，但尚不能预测结果如何。

（刘崇志 译）

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第十章 反应堆

能 量

20世纪科技迅速进步，地球能源的消耗惊人增加。一旦拥有

成亿人口的不发达国家加入工业化国家的行列，燃料的消耗就会

更大幅度地跃增。我们到何处去找到所需的能源呢？

我们已经知道，地球上大部分的树木已经消失，是因为我们最

初使用的燃料就是木材；公元初，希腊、北非与近东的许多地方森

林遭到了无情的砍伐，这一方面是为了搜集燃料，另一方面是为了

放牧动物和从事农业。无控制地砍伐森林灾害重重，不仅切断了

木材的供应，而且在彻底除去土地的覆盖物后对生产力或多或少

地造成了永久性的破坏。这些古代文明区域在过去造就了进步的

文化，而现在大部分却变得贫瘠而无生产力，且所住的居民贫穷落

后。西欧的森林在中世纪已逐渐砍伐殆尽，而且目前北美的森林

也遭到更为迅速的砍伐。除了加拿大和西伯利亚外，温带地区几

乎没有留下任何大片的处女林地。

煤与油：化石燃料

煤与石油取代了木材在燃料中的地位。希腊植物学家泰奥弗

拉斯托斯早在公元前

200年就已经提及煤，但是欧洲最早关于采煤

的记录在

12世纪以前尚无记载。直到

17世纪，英国因为将森林砍

第十章 反应堆

第十章 反应堆

伐殆尽使其海军严重缺乏木材，所以才开始改用大量的煤作燃料。

这也许受到荷兰人在他们之前挖掘煤矿的鼓励。就采煤来说荷兰

人并非最早，因为马可·波罗在其著名的《中国游记》一书中提到，

12

世纪晚期，中国已经用煤燃烧，那是世界科技上的一大进步。

1660年以前，英国年产煤

200万吨，占当时世界上煤年总生

产量的

80%以上。

煤最初主要用作家庭燃料，但英国人普拉特在

1603年发现，

如果煤在无氧的情况下加热，它所含的焦油状的漆黑物质会被驱

出，所留下的物质几乎全是纯碳，这种残渣称为焦炭。

起初，焦炭质量并不高，经慢慢改善后，终于可用来代替木炭

以熔化铁矿。焦碳在高温下燃烧时，其碳原子与铁矿中的氧原子

结合，金属铁留下来。1709年，英国人达比开始大量采用焦炭来

炼铁。蒸汽机发明后，用煤加热使水沸腾，工业革命于是展开。

其他地方的这种转变较慢。在年轻而森林资源丰富的美国，

1800年

94%的燃料是木材；然而到了

1885年，50%的燃料是木

材；至

20世纪

80年代，则木材在燃料中的比例不足

3%，而且重

心已由煤转到石油和天然气了。1900年，美国由煤所提供的能量

10倍于由石油与天然气所共同提供的能量；半个世纪后，由煤所

提供的能量仅为由石油和天然气所共同提供的能量的

1/3。

古代照明所用的灯油来源于植物和动物。然而，在漫长的地

质时代中，含油丰富的浅海小动物在自然死亡时与泥混合，埋在冲

积层下，经过缓慢的化学变化，其油质转变成一种复杂的碳氢化合

物，现在被恰当地称为石油（来自拉丁文）。“油”这个字对人类如

此重要，以致在最近几代已不表示其他意义。我们相信当“油”出

现在大标题中时，它绝不表示橄榄油或椰子油。

石油有时会在地表发现，特别是在富藏石油的中东，情况更是

如此。挪亚得到指示，在他的方舟里外涂上沥青以防水。同样的，

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摩西婴儿时期也靠沥青，使他的“芦苇方舟”免于沉没。石油中较

轻的部分（挥发油）有时收集起来用来点灯或用于宗教仪式中的火

焰。

19世纪

50年代，点灯所需的易燃液体可用鲸油和煤油（由煤

在无空气条件下经加热而得）；其另一个来源是油页岩，它是一种

柔软得像蜡的物质。当油页岩受热时，它放出一种煤油。这种油

页岩于

1859年在宾夕法尼亚州西部由一位火车列车员德雷克在

试验某种新事物时发现。

E. L. 德雷克知道，人们掘井而取水，有时掘得更深以获得盐

水（非常咸的水，可用来制盐）。有时有一种易燃的油状物质会与

盐水一同冒出来。根据记载，中国和缅甸在

2000年前燃烧这种油

来加热盐水，以获得盐。

那何不采油呢？由于当时油不仅用作点灯的燃料，而且用作医

药，因此德雷克觉得自己挖掘到的东西会有良好市场。结果，在

1859年

8月

28日，当他在宾夕法尼亚州西部的太特斯维尔钻洞钻

到约

21米（69英尺）深的时候，探到了油源，他钻出了第一口油井！

最初半个世纪中，石油的用途有限，但随着内燃机的出现，石

油的需要甚为迫切。比煤油轻的液体部分（即较易挥发为气体的

部分）正是在这种新内燃机中所需的燃烧物，这个部分即汽油。从

此便大举搜寻石油，迄今未止。

宾夕法尼亚油田很快就耗尽了，新的油田于

20世纪早期在得

克萨斯州发现，而更大的油田则在

20世纪中叶于中东发现。

石油具有许多胜过煤的优点：人类不需到地下去挖掘，既不

必用无数的卡车载运，又不必将其贮藏在地窖中再铲进火炉里，更

不会留下有待清除的灰烬。石油自地下抽出，经油管（或油轮）输

送，储存在地下的油槽中，自动注入火炉里，火焰可随意点燃或熄

灭，不留灰烬。特别在第二次世界大战后，整个世界大量地由用煤

第十章 反应堆

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改用石油。尽管煤在制造钢铁和其他用途上仍保持了重要的地

位，但石油却成了世界上最大的燃料来源。

石油包含一些易挥发的部分，它们在常温之下是气体，现在称

之为天然气，一般以煤气代称，就像石油以油代称一样。天然气在

使用上比石油更方便，它的使用增长率甚至比石油的液体部分更

高。

然而上述的都是有限的资源。天然气、石油和煤都是化石燃

料，来自古代动植物的遗骸，一旦用尽便无法替换。人类实在是以

超越的速度在消耗化石燃料。

其中石油消耗特别快，全世界目前每小时烧掉

400万桶以上

的石油，不论如何努力节约，最近的将来消耗率仍将继续上升，虽

然地球上还有将近

1万亿桶的石油存量，但是按目前的用量来说，

不到

30年就用完了。

当然，额外的石油可由更普遍的煤和氢在压力下合成。此方

法最初是由德国化学家伯吉尤斯在

20世纪

20年代研究出来的，

结果他获得

1931年诺贝尔化学奖。煤的储量实在很多，也许有

7

万亿吨，不过并非全都易于挖掘出来。到

25世纪或更早，煤将成

为昂贵的商品。

我们可以期待新的发现，也许在澳大利亚、撒哈拉沙漠，甚至

南极洲，有煤和石油在等着我们，而且科技上的进步也可以开发较

薄、较深的煤层，进入更深的地下或自油页岩及海底油田中抽取石

油。

无疑地，我们也将发现更有效率的燃料用法。燃烧燃料产生

热使水变为蒸汽，驱动发电机发电，而在这整个过程中却已浪费了

大量的能量。如果能让热直接转变为电，大部分的损失可以避免。

这种可能性早在

1923年由一位德国物理学家塞贝克提出。他发

现如果将两种不同金属在封闭电路中连结，并在此接合处加热，则

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附近的指南针偏转，这说明了热在电路中造成电流（温差电）。然

而，塞贝克对自己的实验作了错误的解释，他的发现当时并未贯彻

下去。

随着半导体技术的发展，古老的塞贝克效应得到新生。现在

的热电装置中采用半导体，在其一端加热，使其中产生一个电位，

在 P型半导体中，冷端成为负极，而在 n型半导体中，冷端则为正

极。如果这两种半导体以一 U型结构连接起来，使 n－p接点位于

U型的底部，则加热底部会引起 P分支的上端得到负电荷， n分支

的上端得到正电荷，结果电流从一端流到另一端，只要温度差维持

着，电流会不断产生（图 10-1）。（反过来也可利用电流使温度下

降，所以温差装置可以用作电冰箱。）

图 10-1温差电池。加热导体使电子流向 n型半导体的冷端，再由 p

型半导体的冷区流向暖区。如果形成一个电路，则电流按箭头所指方向

流动。因此热能可转变为电能

第十章 反应堆

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温差电池不需要昂贵的发电机和笨重的蒸汽机，又便于携带，

而且可在隔离区域内当作小规模电源，只需要煤油加热器作为热

源。根据报道，这样的装置在苏联农村经常使用。

纵然尽一切可能提高燃料使用效率，努力勘探新的煤矿和油

源，但这些能源依然有限，在不久的将来，煤或石油不能再作为重

要的大规模能源。

化石燃料的利用在完全耗尽之前，必须尽可能加以缩减，因为

使用量的增加具有危险性。煤不是纯碳，石油也不是纯碳氢化合

物，其中都含有少量的氮和硫的化合物，燃烧化石燃料（特别是煤）

时，氮和硫的氧化物会释放到空气中。

1吨煤中这种物质的释放

量固然不多，但对全部燃烧的煤来说，在

20世纪

70年代，每年都

放出重约

9 000万吨的硫的氧化物至大气中。

这种不纯物是空气污染的主要来源，在适当的气象条件下，也

是烟雾的来源，烟雾覆盖城市，损害人的肺部，甚至能使已患有肺

病的人致死。

这种污染物可被雨水自空气中清洗下来，结果造成更严重的

新问题。氮和硫的氧化物溶在水中，使水呈弱酸性，这种水落到地

面上就是酸雨。

酸雨的酸性不足以直接困扰我们，但它落入池塘和湖中，使其

中的水酸化，酸度虽然轻微，却足以杀死大量的鱼和其他水中的生

物。特别需要指出的是，如果湖底没有可以中和部分酸的石灰岩

床，则这种情况更严重。酸雨也对树木造成伤害，这种伤害在烧煤

最多的地方最严重，而且由于西风的缘故，酸雨常会落到东方，因

此加拿大东部因受美国中西部烧煤的影响，饱受酸雨之害，瑞典也

因西欧烧煤而受害。

如果继续燃烧化石燃料而且其燃烧数量增加，这种污染物的

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危害的确更大，因此已针对这个问题召开国际会议了。

为了解决这个问题，石油和煤必须在燃烧前经净化处理，这是

一种可行的办法，但显然会增加燃料费用。然而，即使所烧的煤为

纯碳，所烧的石油是纯碳氢化合物，问题仍未解决，因为经燃烧的

碳变为二氧化碳，碳氢化合物变为二氧化碳和水，它们本身无害

（某些有毒的一氧化碳也必定同时产生），但仍不可忽视。

二氧化碳和水都是大气的天然成分，水蒸气的含量随时随地

变化，但二氧化碳含量则保持约

0.03%。大气中由化石燃料燃烧

造成的额外水蒸气最后进入海洋，所以无关紧要，额外的二氧化碳

中部分会溶解在海中，部分与岩石反应，但有些会留在大气中。

自

1900年以来，由于燃烧石油和煤，大气中二氧化碳的含量比

原来增加了一半，而且一年比一年显著地增加。额外的二氧化碳并

未引起呼吸上的问题，甚至可视为对植物的生长有益，然而二氧化

碳确实增加了某些温室效应，并使地球的平均温度略微提高。增高

的温度虽然微不足道，却使海洋的蒸气压有升高的趋势，而且空气

中也会保持更多的水蒸气，就整体而论，这也提高了温室效应。

燃烧化石燃料可能引起温度足够的上升，使冰冠开始溶化，对

大陆海岸线产生危害，并且可能会引起气候上长期的不良变化，甚

至可能引起温室效应加剧，使地球陷于与金星相同的境地，不过我

们需要对大气动力学和温度效应有更多的了解，才能做出更精确

的预测。

无论如何，要想继续燃烧化石燃料就必须特别小心。

既然我们继续需要能源，而且所需能源与日俱增，那么我们该

如何应付呢？

太阳能

解决能源的一种可能方法是加强利用更新的能源：以地球能

第十章 反应堆

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量的“收入”过活，而不是直接消耗其“资本”。

如果森林能像农作物一样成长收获，木材也可以成为所需的

资源，然而光是木材远不能满足我们所需的全部能源。我们也可

以多利用风力和水力，同样的它们也不能突破辅助能源的地位。

另外，某些潜在的能源，例如开发地热（如温泉）或利用潮汐，情况

也是如此。

最重要的是开发利用部分来自太阳的巨大能源，这种日照的

能量约为目前每日消耗能量的 5万倍。就这方面来说，一种有希

望的特殊装置是太阳能电池或光电池，其原理是运用固态装置将

阳光直接转变为电流（图 10-2）。

图 10-2光电池。阳光照射薄板的自由电子，从而形成电子 -空穴对

p-n接面的功用有如一道栅门或电场，可把电子与空穴分开，而在接

面处形成一个电位差，电流通过电线线路

如同贝尔电话实验室于 1954年研制成的那样，光电池是由 n

型和 p型半导体组成电路的一种电池，其外形就像一块扁平的夹

心面包片。日光投射到这块板上，将一些电子撞出来，这就是一般

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的光电效应。自由电子向正极移动，空穴向负极移动，这就产生电

流。同普通化学电池的电流相比，这种电流并不大，但是太阳能电

池的优点是没有液体，没有腐蚀性的化学物质，而且能无限制地依

赖太阳来发电。

1958年

3月

17日，美国发射的先锋

1号人造卫星首先配备

光电池以供无线电通信用，这些信号由于没有设置“关”的开关而

持续了多年。

地球上

4 047平方米（

1英亩）日照地区每年接受

9 400 000千

瓦·小时的太阳热量，如果地球上沙漠地区的广大地面上，例如撒

哈拉沙漠的死谷，覆盖着太阳能电池和蓄电装置的话，可以无限地

提供世界所需的能量。

当然也要考虑费用，制造电池所需的纯硅晶体很贵，虽然从

1958年以来，硅晶体的价格已削减到

0.4%，但太阳能电池的价格

仍约为石油发电的

10倍。

当然，光电池还可以再降低价格并提高效率，但收集阳光并不

容易。阳光丰富而稀薄，正如前两段所提过的，如果要利用，必须

找到广大的区域才行，而且还要扣掉夜晚的时间，即使在白天，也

可能有浓雾、烟雾或云。就算在晴朗无云的沙漠上，空气仍会吸收

大部分的太阳辐射，特别是太阳接近地平线的时候，在地球上要维

持大的曝晒区域实在是既昂贵又困难。

有些科学家因此建议，将太阳能收集场置于没有大气干扰而

阳光几乎连续不断的地球轨道上，使单位面积的产量增至

60倍，

但这个想法暂时还不可能成功。

原子能的战争用途

在大量使用化石燃料的今日和大量使用太阳能的未来之间，

第十章 反应堆

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有另一种可大量取得的能源，它在不到半个世纪之前意外地出现，

并具有衔接能源空档的潜力，这就是核能，即一种存在于原子核内

的能量。

核能有时称为原子能，但那是错误的名词，严格地说，原子能

是化学反应产生的能量，如煤和石油的燃烧，因为它们包括了整个

原子的作用，而由原子核中所释出的能量则是全然不同的，其数量

也要巨大得多。

核裂变的发现

在查德威克于

1932年发现中子后，物理学家便掌握了一把开

启原子核的钥匙。中子因为没有电荷，能够轻易地穿透带电的原

子核，于是物理学家们开始用它轰击各种原子核，看能发生什么样

的核反应。在这些研究者中，有一位是意大利的费密，他在数月中

制备了

37种元素的放射性同位素。

费密和他的伙伴发现，如果他们先让中子通过水或石蜡以减

慢速度，便可以得到较佳的结果。中子使水或石蜡中的质子反跳

出来，而中子本身就像一颗撞球撞到其他撞球一样减慢下来。当

一个中子减速到热速度（即原子正常运动的速度）时，有更多机会

被原子核吸收，因为它留在原子核附近较久；另外，由于波长与粒

子的动量成反比，当中子慢下来时，它的波长增加，会占据更多空

间，所以它也就更容易撞上

1个原子核，就像

1个保龄球比

1个高

尔夫球有更多机会撞上

1个保龄球瓶一样。

一种特定的原子核俘获

1个中子的概率称为截面。这个名词

将原子核描绘成一个特殊尺寸的靶子，在相同的距离下，一颗棒球

击中一座仓库的边缘比击中一块

30厘米（

1英尺）宽的木板要容

易。截面的大小是以靶恩为单位来表示的，1靶恩等于

10－24平方

厘米。这个单位是由美国物理学家霍洛韦和

C. P. 贝克于

1942年

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命名的。

当

1个原子核吸收

1个中子时，它的原子序数不变（因为核电

荷保持不变），但原子量上升

1个单位，如氢

-1变为氢

-2，氧-17变

为氧-18，等等，而中子进入时带给原子核的能量可将原子核激

发——增加它的能量，过剩的能量随即以

γ射线发射出去。

新原子核通常不稳定，举例来说，当铝-27吸收

1个中子而变

成铝-28时，1个中子迅速变成

1个质子（发射出

1个电子），原子

核正电荷的增加将铝（原子序数

13）转变为硅（原子序数

14）。

因为中子轰击可使

1个原子转变为下一个高原子序数的原

子，费密决定用中子轰击铀，看它是否能形成一种原子序数为

93

的人造元素。在轰击中子所得的产物中，他及其同事们的确发现

有新放射性物质的迹象，因此他们认为已取得第

93号元素，称之

为铀

X，但如何鉴定这种新元素呢？它应具有什么化学性质呢？

第

93号元素在周期表中应该位于铼之下，所以它的化学性质

应该与铼相似（见第六章）。果真如此，制备的第

93号微量元素的

鉴定方法是：把铼与经中子轰击后的产物混合，然后以化学方法

将铼分离出来。铼起到载体的作用，把化学性质相似的第

93号元

素带出来。如果能证明铼上附着放射性，我们就知道第

93号元素

的确存在。

钋的发现者哈恩和迈特纳在柏林一起工作，遵循着此实验方

向锲而不舍。第

93号元素没有随铼而出现，哈恩与迈特纳于是继

续试着去探讨中子轰击是否能把铀转变成周期表上邻近的其他元

素。此时，德国于

1938年占领奥地利，迈特纳身为奥地利国民，又

是犹太人，被迫逃到斯德哥尔摩，而哈恩只好与德国物理学家斯特

拉斯曼一起继续他的工作。

几个月之后，哈恩和斯特拉斯曼发现，当把钡加入轰击过的铀

时，它会带走一些放射性，他们认为此一放射性应该属于镭，即在周

第十章 反应堆

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期表中位于钡之下的元素，结论是铀被中子轰击后有些变成了镭。

但镭是奇特的东西，哈恩与斯特拉斯曼尽其所能仍无法将它

自钡中分离出来。当时在法国由

I. 约里奥-居里和他的同事萨维

奇进行的一项类似的工作也同样地失败了。

接着，迈特纳在斯堪的纳维亚大胆地选了一条捷径，并发表了

一种哈恩私下说出但犹豫是否要公开的现象。她于

1939年

1月

在英国《自然》杂志上公开发表的一封信中，指出镭不能从钡中分

离出来，因为根本没有镭。假想的镭实际上是放射性钡：经铀中

子轰击后而形成的钡，这种放射性钡发射出

β粒子而衰变成镧（哈

恩与斯特拉斯曼发现，原来加入产物中的镧显示出某种放射性，他

们认为那是锕，事实上是放射性镧）。

钡如何从铀中形成呢？钡原子只具有中等重量，已知的放射

性衰变过程都不能将一种重元素转变为大约其一半重量的元素。

于是迈特纳大胆地推测铀原子核可分裂成两部分。吸收中子会使

铀核发生它所谓的裂变，而生成的两种元素分别是钡与周期表中

位于铼之上的第

43号元素（稍后被命名为锝）。钡原子核和第

43

号元素的原子核形成铀原子核。这个想法很大胆，因为中子轰击

只提供

6兆电子伏，而当时原子核结构的主要观念认为似乎需要

数亿电子伏才能做到。

迈特纳的侄子弗里施赶到丹麦，在这个新理论公开发表前将

其呈给波尔。当时波尔正在研究发展原子核结构的液滴理论，而

且用迈特纳的论点似乎可以解释它。其后几年，液滴理论将原子

核外壳纳入考虑，甚至可用以解释核裂变量精致的细节，以及为何

原子核会裂变成不等的两半。

无论如何，波尔立刻了解了其中的含意。不久他去华盛顿参

加一个理论物理研讨会，他告诉物理学家们自己在丹麦听到的裂

变说法。物理学家们兴奋地回到自己的实验室去验证这个假说，

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一个月之内便发表了半打实验证据，结果

1944年诺贝尔化学奖由

其中的哈恩获得。

链式反应

裂变反应释出的能量远大于通常放射性的能量，但使得裂变

现象如此惊人的不只是额外的能量，更重要的是它释放出

2或

3

个中子。在迈特纳的信公开发表后不到两个月，一些物理学家便

遇上了令人畏惧的核链式反应的可能性。

链式反应是化学中的常见现象，一张纸的燃烧便是一个链式

反应；一根火柴提供了起始的能量，一旦燃烧开始，就有了维持和

传播火焰的媒介热，然后燃烧以持续而扩张的方式带来了更多的

燃烧。

核链式反应也是如此，1个中子裂变

1个铀原子核，释放出

2

个中子，然后这

2个中子又引起裂变反应，释放出

4个中子，这

4

个中子又造成

4个裂变反应，依此类推（见图

10-3）。第一个原

子裂变产生能量

200兆电子伏，下一步产生

400兆电子伏，再下一

步产生

800兆电子伏，再下一步产生

1 600兆电子伏，依此类推。

由于这种连续的过程在大约五十兆分之一秒内发生，因此在很短

的时间内，就会释放出惊人的能量。（每次裂变实际产生的平均中

子数是

2.47，所以事情进行得甚至比这个简化的计算所显示的还

快。）28.35克（

1盎司）的铀裂变产生相当于燃烧

90吨煤或

2 000

加仑油的能量，理论上，使用铀裂变可以解决我们目前所面临的能

源问题。

但裂变反应不幸刚好在第二次世界大战之前发现。物理学家

估计，28.35克的铀裂变会产生相当于以

600吨梯恩梯（

TNT）黄色炸

药的爆炸威力，以这种武器从事战争，其结果相当可怕，万一被纳粹

德国先攫取到这种炸药去危害世界，后果更不堪设想。

第十章 反应堆

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图 10-3铀的核链式反应。大圆圈是铀原子核，黑点是中子，波状箭号

是 γ射线，小圆圈则是分裂的碎片

匈牙利血统的美国物理学家齐拉特研究核链式反应多年，十分清

楚其发展潜力。他与其他两位匈牙利血统的美国物理学家维格纳和

特勒，劝导爱因斯坦在 1939年夏天写信给罗斯福总统，说明铀裂变的

潜力，并建议尽一切努力在纳粹之前发展这种武器。

这封信写于 1939年 8月 2日，同年 10月 11日才呈给总统。

这段期间，第二次世界大战在欧洲爆发，而哥伦比亚大学的物理学

家在费密（他在一年前离开意大利到达美国）的监督下，努力要使

大量铀产生持续的裂变。

最后美国政府根据爱因斯坦的信而采取行动。 1941年 12月

6日，罗斯福总统授权进行一项庞大的计划，以刻意掩饰的曼哈顿

工程师管理区为名，目的在于发展原子弹。第二天日本就攻击珍

珠港，美国因而参战。

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第一座原子核反应堆

正如所预料的，由理论变为实践决不会那么容易。安排铀的

链式反应需要相当的工夫。首先，必须拥有数量丰富的铀料，并将

其精制成纯度足够高的铀，以免中子被杂质吸收。铀是地壳中相

当平常的一种元素，平均每吨岩石中含有

2克左右，比黄金常见得

多，但铀相当分散，世界上极少地方出产丰富的铀矿石；此外，

1939

年以前铀几乎无法利用，因为纯化铀的方法尚未研究出来，当时美

国制出的铀还不足

28.35克。

衣阿华州立大学实验室在斯佩丁的领导下以离子交换树脂进

行铀的纯化研究（见第六章），而在

1942年开始生产纯度合乎要求

的金属铀。

然而那只是第一步，接下来的就是：必须再从铀中分离出更

易裂变的部分。同位素铀

-238有偶数个质子（

92）和偶数个中子

(146）。有偶数个中子的原子核比有奇数个中子的原子核稳定。

天然铀的另一种同位素，即铀-235，具有奇数个中子（

143），因此

波尔预测它会比铀

-238裂变得更迅速。

1940年，一个研究小组

在美国物理学家邓宁的领导下，将少量的铀-235分离出来，并且

证明波尔的上述推测正确。铀

-238只在被大于一定能量的快中

子轰击时才裂变，而铀-235吸收任何能量的中子都会裂变。在这

两种情况下，中子最后都成为热中子。

麻烦的是，就纯化的天然铀来说，140个原子中只有

1个是

铀-235，其余都是铀

-238，因此铀

-235裂变释放出的大部分中子

被铀-238俘获而不会造成裂变，即使铀被足以分裂铀

-238的快

中子轰击，裂变的铀

-238释放出的中子能量也不足以使剩余的原

子继续链式反应。换句话说，铀

-238的存在会引起链式反应的迟

滞与中止，这就像试图使湿叶燃烧一样。

那么，只有尝试大规模地进行由铀

-238中分离铀-235的工

第十章 反应堆

第十章 反应堆

作，至少要除掉足量的铀-238，使混合物中的铀-235含量够丰富

才行。物理学家想出几种方法，每个方法成功的可能性都不大。

结果最佳的方法是气体扩散法，然而至

1960年为止此法费用仍非

常昂贵。接着，一位联邦德国科学家研究出一种廉价得多的铀

-

235分离技术——离心法，较重的分子被抛到外面，含铀-235的

较轻分子被留下来。此法使得原子弹大为便宜，可以用较少的动

力进行制造。

铀-235原子比铀

-238原子轻

1.3%，因此，若原子为气态，

铀-235原子会比铀

-238原子移动稍快，而以较快的扩散速度穿

过一连串的过滤板，因此可被分离出来。不过，铀必须先转变为气

体，其惟一的方法是使它与氟化合而生成六氟化铀。这种挥发性

液体是由

1个铀原子与

6个氟原子组成，其中

1个含有铀-235的

分子会比

1个含有铀-238的分子轻

1/100弱，这个差额足以满足

采用气体扩散法的需要。

当六氟化铀蒸气被迫通过多孔板时，含有铀

-235的分子通过

得比较快，因此每穿过一个板，铀-235的比例就增加一点；为了得

到相当数量接近纯铀-235的六氟化铀，需要数千个板，但如果只

要得到浓缩的铀-235，则所需的板可以减少许多。

到

1942年，气体扩散法（以及其他一两种方法）无疑地能生产

大量的浓缩铀，而分离工厂（每座价值

10亿美元，且消耗相当于整

个纽约市的用电量）则建在隐秘的城市——田纳西州橡树岭。

同时物理学家正在计算临界体积，即维持链式反应所需的浓

缩铀量，如果铀块太小，过多的中子会在被铀

-235原子吸收前逃

离其表面，因此为了使中子泄漏减到最小，铀块的体积按比例必须

比其表面积大。在一定的临界体积时，足够的中子会被铀

-235原

子俘获以保持链式反应的进行。

物理学家也发现有效地使用可利用的中子的方法。正如前面

最新科学指南（上）

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提过的，热（即慢）中子比快中子更容易被铀-235吸收，因此实验

者使用慢化材料使由裂变反应中发射出来的高速中子减慢。本来

水可成为优良的慢化剂，但是普通的氢会竭力吸收中子，而氘则较

合乎要求，它几乎没有吸收中子的倾向，所以裂变反应实验者对制

备重水非常感兴趣。

直到

1943年，大部分重水都是采用电解法制成。由于普通的

水比重水容易分解成氢和氧，因此，若电解大量水，最后剩下少许

的水中便富含重水并可加以保存。1943年后，蒸馏法成为常用的

方法。因为普通水沸点较低，所以最后一小部分未沸腾的水便富

含重水。

在

20世纪

40年代早期，重水的确相当贵重。有一个感人的

故事，说的是

F.约里奥-居里在纳粹德国

1940年入侵之前设法

将法国贮藏的重水偷运出国。另外，在挪威制备的

100加仑重水

则落入纳粹德国手中，1942年英国突击队在一次袭击中将其毁

掉。

重水仍有缺点：当链式反应变热时它会汽化，而且会腐蚀铀。

曼哈顿计划中，寻求建立链式反应系统的科学家决定，用在非常纯

的石墨态下的碳作为慢化材料。

另一种可能的慢化材料是铍，它的缺点是有毒，一位在

20世

纪

40年代早期制造原子弹的物理学家就罹患了铍毒症。

现在让我们设想一个链式反应。一开始就将中子流输入到慢

化材料和浓缩铀的组件中，则若干铀

-235原子会裂变，释放出的

中子继续轰击其他铀-235原子，它们再依次裂变使更多中子释放

出来。有些中子被除铀

-235以外的原子吸收，某些中子会飞逸出

反应堆，但如果每次裂变只产生

1个中子，造成另一次裂变，那么

链式反应将可以自持。如果增殖系数大于

1，即使只大一点点（如

1.001），链式反应仍将迅速进行而造成爆炸。这对做炸弹有利，但

第十章 反应堆

第十章 反应堆

对实验不利。某些设备必须精心制造，可以让中子通过镉棒，以控

制裂变速率，因为镉棒有高的中子俘获截面。链式反应如此迅速，

以致用来阻滞反应的镉棒来不及插入。幸而裂变的铀原子并不立

即发射出所有的中子，大约每

150个中子中有一个是缓发中子，它

在裂变后数分钟才发射出来，因为它来自裂变中形成的较小原子

而非直接来自裂变的原子。当增殖系数仅略高于

1时，此种延缓的

时间已足以用来进行控制了。

1941年，从铀-石墨混合物开始实验。已累积丰富知识的物

理学家认定，即使没有浓缩铀，只要铀块够大，也能产生链式反应。

物理学家在芝加哥大学开始建造一座临界体积的反应堆，当

时大约有

6吨重的纯铀可以利用，并由氧化铀加以补充。铀和石

墨交互重叠，共

57层，中间空洞以插入镉控制棒，此一结构称为反

应堆——名称虽然隐晦，但是功能丝毫不损，像第一次世界大战期

间一样，新设计的履带装甲车以坦克为名也是为了保密，不过坦克

之名却从此确立，而原子堆后来则改为核反应堆。

芝加哥反应堆建在露天足球场看台下，宽

9米（30英尺），长

9.75米（32英尺），高

6.55米（21.5英尺），重

1 400吨，可容纳

52

吨铀，铀的形式是金属和氧化物（据报道，纯铀

235的临界质量不

超过

250克）。1942年

12月

2日，镉控制棒缓慢地抽出来，增殖

系数达到

1，表示一个自持反应正在进行。从这一刻起，人类便进

入了核时代。

当时负责的科学家是费密，维格纳特别送他一瓶基安蒂红葡

萄酒以示庆贺。

康普顿当时也在场，打了一个长途电话给在哈佛的科南特，宣

布成功的消息：“意大利领航员进入了新世界！”科南特问：“土著

的态度如何？”回答立刻传来：“非常友善！”

奇怪而有趣的是，第一位意大利的领航员在

1492年发现了一

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个新世界，而第二位则于

1942年发现了另一个新世界。

核时代

当时，另一种可裂变燃料已出现，铀

-238在吸收一个热中子

之后形成铀-239，再迅速变成镎-239，接着几乎一样快地又变成

钚-239。

由于钚-239原子核有奇数个中子（

145），而且比铀

-235更复

杂，因此它很不稳定。一个合理的猜测是钚

-239与铀-235一样

会经热中子轰击而裂变。

1941年，这个猜测经实验证实。由于仍

不能确定制备的铀-235是否能用，物理学家们决定双重投资，又

尝试大量制造钚。

制取钚用的特殊反应堆于

1943年在橡树岭和华盛顿州的汉

福德建成，这些反应堆比起芝加哥的第一座反应堆是一大进步。

首先，新反应堆设计成可定期地从其中移去铀，产生的钚可用化学

方法从铀中分离出来，而裂变产物（有些是强中子吸收剂）亦可分

离出来。此外，新反应堆采用水冷却以避免过热（芝加哥反应堆只

能在短时间内运转，因为它只靠空气冷却）。

到

1945年，已有足够的纯铀-235与钚-239可用来制造原子

弹。这一部分工作在第三个秘密城市——新墨西哥州的洛斯阿拉

莫斯进行，领导者是美国物理学家奥本海默。

作为原子弹，核链式反应越快越好。这需要使该反应用快中

子进行，以缩短裂变的时间间隔，故不需慢化材料。原子弹也被放

在一个密闭的大箱中，以便大部分铀能长期在一起等待裂变。

由于可裂变物质达到临界质量时就会自发爆炸（由空气中杂

散的中子点火），原子弹的燃料被分为两部分或两部分以上。引爆

机构用的是普通炸药，它可在爆炸前将以上各部分燃料驱动在一

起。安排的方式有两种，一种是所谓的“瘦子”，这是一根两端有两

第十章 反应堆

第十章 反应堆

片铀-235的管子；另一种是所谓的“胖子”，它是球形物，其中有一

层可裂变物质组成的球壳，当它内向爆炸时，会造成密集的临界质

量，这是由爆聚力和名为中子反射层的厚重外壳瞬时聚合而成的，

这个反应层也会将中子反射到裂变物质中，因此减少了临界体积。

要小规模地试爆这种装置是不可能的，原子弹必须在临界体

积以上，否则便无效。因此第一次试爆是在

1945年

7月

16日上

午

5点

30分，于新墨西哥州的阿烈默哥多引爆了一颗足尺的核裂

变弹（通常所说的原子弹或

A弹在科学上是错误的名称），爆炸的

效果真是可怕，相当于

2万吨梯恩梯黄色炸药的爆炸力。据报道，

在场目击的拉比在稍后被询问时悲观地说：“我说不上来，但你别

指望能安享天年了。”（应当补充一下，和拉比谈话的那位先生若干

年之后寿终正寝）

另外还制备了两颗原子弹，一颗是铀弹，叫“小男孩”，长

3米

（10英尺），宽

0.6米（2英尺），重

4.5吨，1945年

8月

6日落在广

岛，由雷达回波引爆；第二颗是钚弹，

3.35米（11英尺）长，

1.5米

（5英尺）宽，重

5吨，名为“胖子”，稍后几天，落在长崎，两颗弹共

有

35 000吨梯恩梯黄色炸药的爆炸力。轰炸广岛的时间距离核

时代来临的时间只有

3年左右，这震惊了全世界。

接下来的

4年，美国人存有一种幻想，以为如果安全措施足够

严密，可以永远不让他国得知他们拥有核弹的秘密。事实上，早在

1939年，核裂变的事实和理论已成为公开的纪录，而且苏联于

1940年也已全力投入这项研究。若非因为苏联在二次大战期间

消耗太多资源在战事上，苏联可能到

1945年和美国一样造出一颗

核弹来。正因为如此，苏联在

1949年

9月

22日引爆第一颗核弹，

给大多数美国人带来了恐慌与惊愕，这颗弹具有相当于投在广岛

的原子弹

6倍的威力，爆炸效果等于

21万吨梯恩梯黄色炸药。

1952年

10月

3日，英国引爆自己的试验核弹，成为第三个核

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强国。1960年

2月

13日，法国在撒哈拉引爆一颗钚弹，正式加入

“核俱乐部”，成为第四个成员。

1964年

10月

16日中国宣布引爆

一颗核弹。1974年

5月印度也引爆一颗核弹。

热核反应

当核裂变弹已成为平常事之际，人类又成功地引发另一种更

有力的核反应，其结果是可能又会制造出更具毁灭性的炸弹。

铀裂变时，铀原子质量中只有

0.1%转化为能量，但当氢原子

聚合形成氦时，足有

0.5%的质量变成能量，这个事实于

1915年

首先由美国化学家

W. D.哈金斯指出。在数百万度的高温下，质

子的能量已高到足以让氢原子聚合。两个质子结合形成氘原子

核，氘原子核同质子聚合形成氚原子核，氚原子核与另一个质子聚

合形成氦；而氘和氚原子核也会以其他种种不同的方式聚合成氦。

由于这种核反应只在高温的激发下产生，因此它们被命名为

热核反应。20世纪

30年代，人们相信具有此种高温的地方只存

在于恒星的中心。1938年，德国出生的物理学家贝特（

1935年离

开希特勒统治下的德国，前往美国）提出，聚变反应为恒星辐射能

量的来源。自从亥姆霍兹在将近一个世纪前提出此一问题以来，

这是关于星体能量的第一个完整而令人满意的解释。

现在铀核裂变弹在地球上提供了必要的温度，它热得足以点

燃氢聚变链式反应。有一段时期，这种反应是否能应用于制造炸

弹，看来似乎非常难定。首先，氘氚混合态的燃料氢必须浓缩成稠

密的物质，即它必须液化并保持在绝对温度只有几度的情况下。此

外，即使可制成一个氢弹，它有什么用处呢？核裂变弹爆炸已足

以摧毁城市，氢弹只会加强毁灭，并彻底消灭整个人类罢了。

尽管如此，美苏两国还是继续研究下去。美国原子能委员会

继续生产一些氚燃料，并且在太平洋的一个珊瑚礁岛上建造了一

第十章 反应堆

第十章 反应堆

个

65吨的裂变-聚变装置，并于

1952年

11月

1日在我们星球上

造成第一次热核爆炸（氢弹或

H弹）。结果证实了不祥的预测：爆

炸产生相当于

1 000万吨梯恩梯黄色炸药的威力——广岛核裂变

弹的

500倍，此次爆炸毁灭了整个珊瑚礁岛。

苏联人也不甘落后，1953年

8月

12日，它们也完成一次成功

的热核爆炸，不过其威力轻微得可以在海平面进行。

1954年，美

国又造出一种可移动的聚变弹，他们在核裂变弹发明后花了

7年

半时间研制出这种聚变弹。然而苏联为此只用了

5年。

同时，一个以更简易的方式引发热核链式反应，并将之制成一

个可移动的聚变弹的计划也已构想好了，其中锂元素为开启此反

应的钥匙。当同位素锂-6吸收一个中子时，分裂成氦原子核以及

氚原子核，在过程中发出

4.8兆电子伏的能量，接着假设以锂和氢

（以其重同位素氘的形态）的化合物为燃料，由于这种化合物是固

体，因此不必靠冷冻来浓缩燃料。一个裂变引爆装置会提供中子

来分裂锂，而爆炸所生的热会使存在于化合物中的氘和由锂分裂

产生的氚聚合。换句话说，会发生好几个释放能量的反应：锂裂

变、氘与氘聚合及氘与氚聚合。

这些反应除了释放惊人的能量外，也产生许多过剩的中子

聚变弹制造者联想到：何不用这些中子去裂变一块铀呢？即使普

通的铀-238也可用快中子裂变（虽然不如铀-235那样容易），来

自聚变反应的快中子可以裂变数量可观的铀

-238原子。假设建

造一个以铀-235为核心（点火点）用锂的重氢化合物围绕的聚变

弹，其外层的铀

-238几乎想要多厚都可以，因为铀

-238没有发生

自发链式反应的临界质量，此一成品有时称为氢铀弹。

这种弹已经完成，1954年

3月

1日在马绍尔群岛的比基尼试

爆，震惊全世界。当时产生的能量约为

1 500万吨。更引人注目

的是，一场放射性粒子雨落在一艘名为幸运龙的日本渔船上，摧毁

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了鱼货，使

20名渔夫罹病，最后有一人丧生。

从

1954年以来，热核弹已成为美、苏及英国军备中的一项。

1967年，中国也引爆了一颗氢弹，由裂变反应发展到聚变反应仅

用了

3年的时间。苏联已经引爆过

0.5亿～1亿吨的氢弹，而美

国也充分具有即时制造这种大小甚至更大的热核弹的能力。

20世纪

70年代，热核弹已发展成爆炸效果最小而辐射（特别

是中子辐射）最大的形式。因此对财物的损害较少而对人类的损

害更大。这种中子弹似乎正是那些贪心财产而轻视生命的人所想

要的。

第一颗核弹用在第二次世界大战的最后几天，乃是由飞机运

送，而现在已可用洲际弹道导弹运送，它们由火箭推进，可从地球

上的一地以极高精确度瞄准另一地。美、苏两国都有大量这种导

弹，全都能装备核弹头。

因此，两个超级大国的彻底热核大战如果在双方的狂怒之下进

行，不消半小时就足以结束文明（也许会毁灭地球上许多维持生命

的力量）。如果世界上有清醒头脑的话，那该就是这一层认识了。

原子能的和平用途

令人无法想象的毁灭性原子弹所呈现的威力，使得这些科学

家们在世人心目中成为怪物，如此描述这些科学家们并不是没有

道理的，因为这些科学家们在一开始就已经了解原子能的毁灭力，

而且也知道这些毁灭力可能被用来制造原子弹，但他们却坦然制

造出原子弹来。

我们只能公平地说，这些科学家在第二次大战时，为了抵抗残

忍的敌人，而且害怕像希特勒那样疯狂的人会先得到原子弹，因而

才投入研究原子弹的工作。此外，科学家们在研究原子弹的整个

第十章 反应堆

第十章 反应堆

过程中，感到十分困扰，甚至有许多人反对使用原子弹，而有些人

事后不再从事原子核物理的研究，留下很大的遗憾。

1945年，一批科学家在诺贝尔奖获得者弗兰克的领导下，向

美军参谋本部提出请愿，表示反对向日本城市投掷原子弹，并且正

确地预测使用原子弹会造成核危险的困境。但是这些理由似乎没

有刺痛军政领袖们的良心，他们仍然做出了使用原子弹的决定，由

于某些理由，这些军政领袖被许多人视为“爱国者”，而科学家们反

而被这些人视为怪物。

我们不能忽视一个事实，科学家找到释放原子核能的方法，而

原子核能到底是用于建设还是用于破坏则完全由人类自己去决

定。必须强调的是，像美国这种有强烈卢梭主义传统的国家，认为

读书不应该成为破坏人类善良本性的途径，因此世界上有核毁灭

的威胁存在，就足以使科学家和科学界蒙羞。

然而原子弹爆炸并不一定要全用在摧毁上，像爆炸力较小的

化学炸药，长久以来被用于采矿、建水坝及造公路等工程上，原子

弹的爆炸力也可能对建设计划有所帮助。人们提出如下利用原子

弹爆炸力的构想：用于挖掘港口、开凿隧道、炸毁岩层，以热能发

电，甚至用于宇宙飞船的推动力。然而在

20世纪

60年代，这些希

望都破灭了，由于辐射污染的危险及昂贵的费用，使得这些希望不

能实现。

然而设在芝加哥大学足球场内的反应堆，提供了核能用于建

设的榜样。良好控制的反应堆能够产生大量的热能，这些热由冷

却剂带出，冷却剂可以是水或是熔融的金属，而这些被带出的热可

以用于发电或空调（图

10-4）

核动力船和潜艇

发电用的反应堆在第二次世界大战后的数年内分别在美国及

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英国建成。现在美国已拥有 100艘以上的核动力潜艇。其中第一

艘鹦鹉螺号花费 5 000万美元，在 1954年 1月下水。这艘潜艇的

发动机使用核能，它的重要性就如同富尔顿的汽船克里门号对富

尔顿那个时代的重要性一样。由于发动机使用核能作动力，所以

此核动力潜艇可以停留在水底一段很长的时间。然而一般潜艇，

由于其柴油发动机必须有空气才能工作，并且要为蓄电池充电，所

以必需经常浮出水面以补充其发动机所需的空气。一般潜艇的时

速只有 8海里，而核动力潜艇的时速则可高达 20海里以上。

图 10-4气冷式核电厂、此图为其概要设计，反应堆中的热传导给某种

气体，而此气体可能是一种金属蒸气。由此高温金属蒸气再将热传导给

水，水加热后变成水蒸气，此时就可以利用水蒸气来推动涡轮发电机了

鹦鹉螺号上的反应堆堆芯持续使用了 10万余公里（62 500海

里）（包括潜航北极海的航程在内）。1958年鹦鹉螺号在潜航北极

海的旅途中，发现北极海底的深度是 4 000米（13 410英尺），比从

第十章 反应堆

第十章 反应堆

前想象的深度深得多。其中第二艘更大的核动力潜艇海神号，在

1960年

2月至

5月，以

84天的时间，循当年麦哲伦绕行地球一周

的路线，以潜航的方式绕地球一周。

现在苏联也拥有核动力潜艇，而苏联第一艘核动力水面船是

一艘破冰船，即列宁号，于

1957年

12月下水。在此前不久，美国

也刚安置了一艘核动力水面船的龙骨。1959年

7月，美国的两艘

核动力水面船长堤号（巡洋舰）和草原号（商船）正式下水，其中长

堤号是由两座反应堆推动的。

美国在其第一艘核动力船下水不到

10年的时间里，有

4艘核

动力水面船正在使用、制造或准备制造。然而，除了核动力潜艇之

外，制造核动力水面船的热忱却在减退，草原号每年所花的费用高

达

300万美元，所以它在

1967年经过

8年的航海生涯后就退役

了。

核电厂

核能并不是只有军事上的用途，而第一座用于发电的反应堆

于

1954年

6月在苏联首先启用。这是一座小型的核电厂，总容量

不超过

5000千瓦。1956年

10月英国的卡德侯核电厂开始运转，

其容量超过

50 000千瓦。美国是世界上第三个拥有核电厂的国

家，1958年

5月

26日西屋公司在宾夕法尼亚州希平波特这个地

方完成了一座小型的反应堆，这个反应堆用于发电，其容量大约

60 000千瓦。此后其他国家的核电厂也相继诞生。

仅在此后

10年多一点的时间里，就有

12个国家拥有反应堆。

美国将近一半的电力来自核能。1965年

4月

3日，一枚发射到太

空中的卫星甚至是由小型反应堆供应电力。然而放射性污染则是

一个严重的问题，因此在

20世纪

70年代公众对核电厂的激增表

示了愈来愈强烈的反对立场。

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1979年

3月

28日，在海里森堡附近萨斯奎哈纳河中的三哩

岛上，发生了美国历史上最严重的核事故。事实上并没有散出大

量的放射性物质，因此对人体并没有危险，虽然如此，仍然引起了

数天的恐慌。三哩岛的反应堆目前已被无限期停止运转，而清除

的工作却是非常昂贵并且需要很长的时间。

然而最大的受害者是核能工业。反核情绪的浪潮席卷了美

国，也席卷了其他各国。在美国，新的反应堆能够运行的机会愈来

愈渺小了。

三哩岛事件使美国人了解到，核污染即使发生的概率并不大，

结果也是非常可怕的。在此事件后，似乎更加强了人们反对核武

器的意识，这种情形对任何一个有理性的人来说或许是一个好的

结果。

虽然如此，原子能的和平用途仍然不能放弃，因为人类需要大

量能源。在本章前面已经指明，我们不可能长久依赖化石能源，也

不能期望将来由太阳能取代大部分的能源，但是似乎很少有人指

出，在适当的安全措施下，原子能并不比化石能源危险（在某些特

别的辐射污染方面，人们必须了解，煤也含有某些微量的放射性不

纯物，燃烧时会释放出比核电厂更多的放射性物质到大气

中——至少人们是这样争议的）。

增殖反应堆

假如只考虑利用核裂变的能量来当作我们的能源，那我们能

使用多久呢？假如我们完全依赖可裂变的铀

-235来当作我们的

能源，那也不能维持很久的时间。但是非常幸运的是，我们可以利

用铀-235来产生其他可裂变的能源。

我们知道钚是人造的核燃料。假如我们建造了一个小型反应

堆，用浓缩铀作燃料，在其外包上一层天然铀，不加入慢化剂，于是

第十章 反应堆

第十章 反应堆

铀-235裂变所产生的快中子会打入外层的铀

-238中。假设大部

分的中子都能轰击到铀

-238，则每一次铀

-235的裂变都能在外

层产生

1个或

1个以上的钚原子，因此我们所增殖出的核燃料比

所消耗掉的更多。

1951年，第一座增殖反应堆在加拿大血统的美国物理学家津

恩的指导下于爱达荷州的阿尔科建成。这座反应堆被称为

EBR-1（一号实验性增殖反应堆）。除了证明增殖的可行性外，也

同时证明它具有发电的功能，这座反应堆在

1964年由于过于陈旧

而不再使用。

通过增殖可从铀中增加核燃料的供应，最普通的铀的同位素

铀-238成为有潜力的核燃料。

钍也是一种很有潜力的裂变性燃料。在自然界中，钍全部以

钍-232的形式存在，在吸收快中子之后，钍

-232马上转换成人工

同位素钍-233，钍-233又立刻衰变成铀

-233。铀-233吸收慢中

子而裂变，并且可以维持自身链式反应，因此钍也可用于核燃料。

在地球上，钍的含量约为铀的

5倍，事实上地球表层数百米深的泥

土中，平均每一平方公里含有

4 600吨的钍和铀，当然这些钍和铀

并不是很容易就可以加以利用的。

一般而言，由钍和铀中得到的能量，大约为现存煤及石油的

20倍。

然而人们对增殖反应堆会造成污染的忧虑要比对一般反应堆

大得多，因为钍比铀更危险，而在增殖反应的过程中将会产生大量

的钚，而且有人认为钚是世界上最有毒的物质，假如钚进入我们的

环境中，那将是无法挽救的大灾难。人们也忧虑用于和平用途的

钚，有可能被劫夺或被偷走，而用于制造原子弹或是用来从事敲诈

及勒索。

这些忧虑或许被夸大了，然而这些忧虑都是有理由的，不仅意

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外事件或偷窃令人忧虑，就算反应堆在运行时没有意外的情况，也

存有几分危险性。为了能了解这个理由，让我们来谈谈放射性及

高能辐射。

辐射的危险

地球上的生物一直暴露于自然放射性及宇宙射线的照射之

下，然而实验室中产生的

X射线以及地壳内痕量的放射性物质，

例如镭，也增加了对人类生命的威胁。一些早期研究

X射线及镭

的工作者接受了致死剂量，如居里夫人及其女儿

I. 约里奥-居里

都因接受了过量的放射性物质而死于白血病。还有一个有名的例

子，20世纪

20年代一些给表面涂夜光的人，常用嘴把顶端含有镭

的笔弄尖，结果也死于放射性所引起的病症。

由于

X射线的使用率增加，在最近几十年中，白血病有增加

的趋势。医生比较容易暴露在

X光的照射下，因此医生得白血病

的可能性为一般人的

2倍，而专门研究如何应用

X射线的放射

科，其工作人员得白血病的可能性更高，为一般人的

10倍。因此

人们想去寻找能取代

X射线的其他技术，例如超声波技术就是其

中之一。核裂变的到来给这种危险增添了新的力量。无论是原子

弹或是核电厂，释出放射性物质的规模，会使整个大气、海洋、我们

的饮食或呼吸的空气污染，对人类生命造成越来越大的威胁。核

裂变已成为污染的一种形式，它需要人们以智慧加以控制。

铀及钚的原子核裂变后，它们的裂变产物有许多种，这些碎片

可能包括钡和锝的同位素或其他物质。全部算起来，大概可以识

别出

200种不同的放射性裂变产物。这些裂变产物很令人头痛，

因为其中某些物质强烈地吸收中子，以致裂变反应不能顺利进行，

所以反应堆中的燃料必须定期移出，并且加以纯化：

再者，裂变后的碎片由于辐射的能量和性质的不同，在不同程

第十章 反应堆

第十章 反应堆

度上对人体都有害处，例如

α射线比

β射线对人体的危害更大。

原子核衰变速率也是很重要的因素，衰变速率快的原子核比衰变

速率慢的原子核在每秒或每小时之内轰击接受者的次数更多。

只有大量的放射性原子核聚集在一起的时候，才能谈得上衰

变率。单个的原子核可以在任何时候衰变，可能一瞬间就衰变，也

可能到

10亿年之后才衰变，或者在

10亿年间的任何时候衰变。

但是每一种放射性物质都有自己的平均衰变率，所以当大量的原

子核在一起时，我们就能很准确地预测在单位时间内有多少原子

核进行衰变。假设我们实验一种会衰变的

X原子，这种

X原子每

年衰变其中的

1/2，则原有

1 000个

X原子，在一年之后只剩下

500个，再一年后剩下

250个。如此类推，第三年后剩下

125个原

子。而对具有放射性的原子核而言，衰减其中一半原子核所需的

时间叫做半衰期，这名称在

1904年由卢瑟福所提出，因此

X原子

的半衰期是一年。在一般的情形之下，半衰期是不会改变的。只

有在星球内部，因为温度很高，有其他高能粒子撞击原子核，才会

改变它的半衰期。

铀-238的半衰期是

45亿年，这就是为什么铀-238虽不断衰

变，但到现在地球上仍存有铀

-238的原因。简单的计算即可显示

出，经过大约半衰期的

6倍时间后，铀-238的原子核就会只剩下

原有的

1%，所以现在地壳中每吨铀

-238在

300亿年之后仍有

0.9公斤存在。

虽然同位素有相同的化学性质，但是核反应的特征却完全不

相同。例如，铀

-235衰变率是铀

-238的

6倍，铀

-235的半衰期

只有

7.1亿年，所以数亿年前铀-235的量要比今天多，这也是现

在世界上铀

-238的量远比铀

-235丰富的原因。根据估计，

60亿

年前地球上铀

-235的量占所有铀量的

70%，所以说人类只赶上

铀-235存在时间的末期。然而就算人类晚

100万年才发现核裂

最新科学指南（上）

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变，那时地球上仍有现今铀-235的

99.9%。

半衰期少于

1亿年的原子核，在地球长远的年代里已经完全

衰变了，因此现今在自然界中再也找不到钚的踪迹，钚的同位素中

钚-244有最长的半衰期，但钚

-244的半衰期也只有

7 000万年。

铀和钍等半衰期较长的放射性元素，以稀薄的浓度散布于地壳

中的石块及泥土内，因此在空气中仍有微量的放射性。人类本身也

有微量的放射性，因为在人体的组织中存有不安定的钾

-40同位

素，钾

-40的半衰期是

13亿年。钾

-40衰变后会生成氩-40，而氩

-

40可能就是因此种衰变过程而成为地球上最普通的惰性气体，因此

钾-40及氩-40的比值可以用来测定陨石的年龄。

碳也有放射性同位素碳-14，然而碳-14的半衰期只有

5 770

年。由于半衰期非常短，照理来说碳

-14不应存在于现在的地球

上。但是，由于宇宙射线粒子不停地轰击地球大气的氮原子，因此

碳-14同位素可以不断地被产生出来。结果大气中总是存在着微

量的碳-14。有些碳

-14会成为大气中的二氧化碳，由于二氧化

碳可以被植物吸收，所以碳

-14就进入植物组织中，进而散布至动

物体内，连人也不例外。

碳-14在人体内的总量比钾

-40要少得多；但是碳

-14有较

短的半衰期，其衰变率要比钾

-40大很多。因此在同一时间内，人

体中碳

-14的衰变总次数约为钾

-40的

1/6。然而有一些碳

-14

是存在于人体的基因内，假如这些碳

-14发生衰变，对细胞就会有

很深远的影响，而钾-40的衰变就不会发生这种情形。

就是因为这个理由，碳

-14是人体中最具有意义的放射性元

素。碳-14引起基因改变的可能性，在

1955年由俄国血统的美国科

学家阿西莫夫（生物化学家）所提出。

许多种天然的放射性原子核及放射线（如宇宙射线及

γ射线）

构成了本底辐射。持续性地暴露于本底辐射中，可能是进化中基因

第十章 反应堆

第十章 反应堆

突变的原因之一，当然自然辐射也要为癌症的产生负部分责任。虽

然生物在自然辐射中生活好几亿年，但核辐射却因镭的实验及核反

应堆的产生而在我们这一代中造成严重的灾祸。

在曼哈顿计划实行之前，物理学家从痛苦的经验中了解到辐

射的危险。曼哈顿计划的工作者都接受了良好的防护措施，那些

刚裂变的产物和有放射性的物质，都被置于厚厚的屏蔽墙内，人们

只能透过铅玻璃才能观看那些物质。

操作这些物质都采用机械遥控法，每一个人都必须带着照相

胶片或其他探测仪器，用来监控所接受的累计剂量。经一连串的

动物实验能够估算出最大辐射容许剂量。哺乳类比其他的生物对

放射性要敏感，但对最大辐射容许剂量以下的辐射仍有抵抗能力。

虽然有好的防护措施，仍有一些原子物理学家死于过量辐射

所引起的放射病。其实，纵使是最安全的工作，也有风险。由于我

们对灾难了解并采取预防措施，核能工作者已比从前更安全了。

现在世界上到处都有核动力堆，它所产生出来的废料是以吨

和千吨来计算的，这些核废料到底要如何处理呢？

大多数的废料是短寿命的放射性物质，当放置数周或数月后

就会成为无害的物质。这些短寿命的放射性废料，在储存一段时

间后就可倾卸掉。然而最危险的物质是半衰期由

1～30年不等的

核素，因为短寿命核素可以放出强的辐射，而长寿命核素对好几代

人都有危害。半衰期为

30年的核素，需要两个世纪才能失去其

99%的放射性。

核裂变产物的利用

核裂变产物可以很好地加以利用。作为能源，它可供给小型

的设备或仪器以动力。由于放射性同位素所发射粒子的能量可以

转换成热，因此可以借热电偶将热转换成电，以这种方式产生电的

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电池通常称为核辅助电力系统，或者称为原子电池或核电池。这

种原子电池只有

1.8公斤重，却可发生

60瓦的电力，并且可以持

续数年之久。原子电池已用于人造卫星，例如，

1961年美国发射

的两颗人造卫星，即子午仪

4A号与子午仪

4B号。

在原子电池中最常用的同位素是锶

-90，锶-90在下一节中

再提到，而钚和锔也常被用到。

登月宇航员在月球上放置了这样的原子电池。这些电池供应

一连串实验设备和无线电通信所需的电力。这些电池正常地工作

了许多年。

核裂变产物在医学上也有许多用途，例如可用于治疗癌症，可

用于杀死细菌以保存食物。在工业上也有许多用处，以化学工业

为例，赫刺克勒斯火药公司设计了一个反应器，用放射线来制造抗

冻剂乙二醇。

虽然上面说了一些裂变产物的用途，但是反应堆释放的裂变

产物中只有一小部分能被再利用，这表示原子能发电有一个很大

的困难。根据估计，原子能每发出

20万千瓦的电力，将产生

680

克的核废料。如何处理这些核废料呢？美国在地底下已储存了数

百万加仑的放射性液体废料，到

2000年，估计每天将有

50万加仑

的放射性液体必须加以处理。美国和英国的做法是将此种废料固

封于混凝土容器中并倾倒于海里，过去就有人提议将废料置于深

海的海沟中，或置于废弃的矿坑内，或固封于玻璃体中再埋入地

下，但人们仍然担心万一这些核废料从容器中泄漏出来将会污染

海洋及土壤。另一项令人忧虑的是核动力船只可能在被破坏后泄

出它累积的核废料。1963年

4月

10日美国一艘核动力潜艇长尾

鲛号在北大西洋沉没，当时人们担心放射性物质将会泄于海上，还

好这种情形并没有发生，也没有任何核污染产生。

第十章 反应堆

第十章 反应堆

放射性沉降物

虽然原子能的和平用途仍有放射性污染，至少这些污染能被

很成功地以各种方法加以控制，但是由原子弹爆炸所造成的放射

性沉降物就无法加以控制，而会造成全世界的污染。

纵使不发生核战争，原子弹爆炸也产生放射性沉降物。任何

一个国家在大气中进行核试爆都会被测出来，因为放射性沉降物

借风可以被带至全世界，经由雨水而降落至地面。发生核战争时，

最后放射性沉降物对生物所造成的伤害将远比被攻击所受的灾害

要严重。

放射性沉降物可以分成三种型式：当地型，对流层型，平流层

型。当地型放射性沉降物是由于原子弹在地表爆炸后，放射性同

位素由强风带至方圆

160公里内的地方被泥土吸收。千吨级的原

子弹所造成的强风可将裂变产物带入对流层，这些放射性沉降物

可停留在对流层中约一个月之久，在这一个月中，由于风的缘故，

可向东方移动数千公里。

由超级热核弹所造成的大量放射性物质可以到达平流层，这

样的平流层型放射性沉降物将在一年之内散布于半个地球，亦即

将同时落在攻击者和被攻击者的土地上。

1954年

3月

1日，美国在太平洋试爆一枚氢弹，结果造成强

烈的放射性沉降物，科学家们对此都大吃一惊，他们没想到来自氢

弹的放射性沉降物如此“脏”，多达

18 000平方公里（7 000平方海

里）的区域被严重污染，约相当于马萨诸塞州的大小。后来科学家

们了解到，聚变核心是由铀

-238包围的，铀

-238经中子轰击而裂

变。这种氢弹，不仅威力强，而且产生的云雾中也含有大量的放射

性物质，其污染性远比落在广岛的那枚原子弹严重。

由原子弹试验所产生的放射性沉降物，迄今只增加了小量的

自然背底，但是即使辐射比自然背底小量地增高，也可能提高癌症

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发生率，产生遗传上的损害并减少平均寿命。放射性沉降物至少

也会增加突变率（参看第十三章有关突变的讨论），给后代累积下

大量的麻烦。

在放射性沉降物中有一种放射性物质锶

-90（半衰期为

28

年）对人体特别危险，而锶-90却是原子电池的重要动力来源。锶

-90落入泥土和水中被植物吸收后，再进入直接或间接地以植物

为食的动物（包括人）体内。因为锶

-90的化学性质和钙相近，并

且能进入骨骼中停留很长的一段时间，因此锶

-90对人非常危险。

因为骨骼中矿物的转换不像身体其他组织那么快，所以锶

-90一

旦被吸收后，几乎一生的时间都会停留在体内（图

10-5）。

锶-90是我们环境中的一种新物质。在科学家裂变铀原子以

前，地球上几乎没有锶

-90的存在，但是迄今不到

30年，锶-90已

进入每一个人的骨骼中和所有的脊椎动物体内，另外，相当大量的

锶-90仍悬浮在平流层中，这些锶也迟早会进入人体的骨骼内。

锶-90的浓度是以锶单位来表示的，体内每克钙中含有

1微

微居里的锶

-90称为

1锶单位。居里是放射性活度的单位，

1居

里表示

1克镭及其裂变产物氡处于平衡状态时的情形。更简单地

说，1居里是每秒

370亿次衰变，而

1微微居里就是平均每分钟有

2.12次衰变。因此

1锶单位表示体内每克钙中每分钟有

2.12次

衰变。

人体骨骼内锶

-90的含量因人因地而有很大的差异，有些人

锶-90的含量是人类平均值的

75倍。儿童由于骨骼成长的原因，

锶-90的平均含量至少是成人的

4倍。因为锶

-90含量的探测是

以饮食中的含量为准，因此在计算平均值时，本身就有很大的变

化。来自蔬菜中的钙比牛乳中的钙含有更多的锶

-90，因为乳牛

吸收了来自牧草的锶-90，由此得知，牛奶并非特别危险的食品。

在

1959年禁止大气核试爆以前，美国人骨骼中锶-90的含量从不

第十章 反应堆

第十章 反应堆

图 10-5 锶-90在大约 200年时间里的衰变

到 1个锶单位到 5个锶单位不等，而国际辐射防护委员会认为，67

锶单位是锶 -90的最大容许含量，但是这些平均值似乎没有什么

意义，因为锶-90可能集中在骨骼中的某些热点，当这些点的

锶-90含量达到高水平时，就可能引起坏血症或癌症。

由于辐射的影响相当重要，因此人们采用了一些单位来计算

这些影响。伦琴就是其中之一，这个名称是为了纪念 X射线的发

现者伦琴而命名的，当做单位用时则表示由 X射线或 γ射线所产

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生的离子数目。最近拉德这个单位也开始使用，每克放射性物质

放出

100尔格的能量而被其他物质吸收就叫

1拉德。

辐射的性质是重要的，

1拉德重粒子引起组织的化学变化，远

比

1拉德轻粒子有效。所以就同能量的

α粒子及电子来说，α粒

子要远比电子危险。

在化学上，由辐射所造成的损伤，其主要原因是水分子经放射

性照射后分解成活性极强的自由基，而且水是生物组织中最主要的

构成物，这些自由基和组织中复杂的分子产生反应后造成骨髓的伤

害，阻碍血细胞的制造。这种对骨髓的伤害就是放射病，假如过于

严重，骨髓无法恢复功能就会导致死亡。

许多著名的科学家认为，核试爆所生成的放射性沉降物是对

人类生存最严重的灾害。美国著名的化学家泡令认为，一枚核弹

的放射性沉降物会使世界上

10万人死于坏血症及其他疾病。他

指出，由核爆炸中子所产生的碳

-14，会造成遗传上的严重危险，

因此他积极促请停止核试爆，也尽所有的努力以减少战争的危险

并敦促裁军。另一些科学家包括匈牙利血统的美国物理学家泰勒

却认为，核爆后的放射性沉降物并没有想象的那么严重。

1963年

泡令获诺贝尔奖，因此可知世人或许比较同意泡令的说法。

1958年冬天，美国、英国和苏联签订了一项君子协定，暂停大

气核试爆。虽然如此，并没有阻止

1960年法国的第一次大气核试

爆。在此后的

3年内，情形似乎非常乐观；至

1960年锶-90的浓

度已达最高点，但其浓度仍在安全许可浓度以下。在这

13年中，

共有

150枚原子弹爆炸，这些核试爆释放出

2 500万居里的锶-90

和铯-137（另一种有害的裂变产物）。这些核弹中，虽然只有

2枚

用于战争，但已造成极大的灾害。

1961年，苏联在没有告知美、英两国的情形下，破坏了

1958

年的协议，再次进行核试爆。由于苏联试爆的热核弹，其威力之强

第十章 反应堆

第十章 反应堆

前所未见，美国在此情势下被迫再进行核试爆。世界的舆论因此

针对禁止核试爆协议的破坏大加挞伐，表示了极端的愤怒。

1963年

10月

10日，三个主要的核大国签订了部分限制核武

器试爆的条约（非君子协定），条约中禁止采用大气试爆、太空试爆

及水中试爆，只有地下核试爆才被允许，因为地下核试爆不会产生

放射性沉降物。这是自原子能时代开始以来挽救人类生存最有希

望的一项提案。

受控核聚变反应

30多年以来，核物理学家一直梦想着受控核聚变，并利用其

能量。核聚变所产生的能量，终究是我们这个世界生生不息的动

力，太阳上的核聚变反应，正是各种生命所需能量的主要来源假

如在地球上能制造核聚变反应并加以控制，所有的能源问题都能

解决；而且由于核聚变的原料是氢，所以核聚变所需的原料会像大

海一样取之不尽。

事实上，氢并不是第一次被人类当作燃料，在氢被发现及研究

后不久，它就成为一种化学燃料，而且美国科学家黑尔早在

1801

年就设计了氢氧焰，此后氢在氧中燃烧所产生的高温火焰一直被

工业界使用。

液态氢是火箭中非常重要的燃料。有人甚至建议将液态氢用

做一种清洁的燃料，他们建议将液态氢用于发电及作为交通工具

的动力来源（虽然如此，氢氧在空气中却极易爆炸）。但是，将氢当

作核聚变的原料，这是它将来最了不起的用途。

核聚变产生的能源比核裂变产生的能源便于利用，就相等的

质量来说，核聚变反应比核裂变反应多释出

4～9倍的能量。0.45

公斤的氢经核聚变后能产生

3 500万千瓦小时的能量，而且核聚

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变所需的氢同位素能从海洋中大量轻易地取得，而核裂变所需的

铀矿和钍矿，其提炼却是一项困难的工作。另外，核聚变所产生的

中子及氢-3同位素，也不像核裂变产物那样危险。最后也是最重

要的，即假如发生意外，核聚变反应会减弱，然后停止，而核裂变反

应却无法加以控制，甚至可能使反应堆中的铀熔化，而释出危险的

放射性物质（但到目前为止尚未发生过这种情况）。

假如受控核聚变反应在将来可以付诸实行，那么核聚变原料

将不虞缺乏，而被聚变反应释出的能量也足可供应地球数十亿年

的需要（几乎和地球的寿命同长）。惟一可能的危险性是热污染，

因为核聚变反应所排出的废热，加上由空间进入地球的辐射能，会

使地球的温度稍微上升，造成类似温室效应的结果。在地球上，任

何异于太阳能的其他能源，如要加以利用，事实上都有发热的问

题。将来在空间站上的太阳能电厂，也会使自然热吸收量增加，因

此人们必须限制自己能源的使用或者找出从地球上排热至空间的

方法，使从地球向空间的排热比自然排热速率稍快一些。

然而上面的论点都是基于理论上的讨论，只有在实验室中能

对核聚变反应加以控制才能将其运用于商业上。但是经过了

30

年的努力，我们仍然无法达到这一目标。

氢的三种同位素中，氢

-1是最常见到的，但却是最难核聚变

的。氢

-1也是太阳上特殊的核聚变原料，因为太阳有数十兆立方

海里的体积，其强大的引力使得氢

-1聚集在一起；由于其中心温

度高达数百万度，因此氢

-1可在太阳上进行核聚变反应。太阳有

大量的氢-1，但在给定时间只有极小部分的氢

-1在进行核聚变

反应，其实只要有一小部分的氢

-1进行核聚变反应就足以产生大

量的能量了。

氢-3同位素（氚）最容易进行核聚变反应，但是其含量非常稀

少，若要提取它，必须先消耗大量能源。因此氢-3同位素并不适

第十章 反应堆

第十章 反应堆

合成为核聚变反应的实用性材料。

氢-2同位素（氘）比氢

-1容易处理，而且含量比氢

-3多。世

上所有的氢中，每

6 000个氢-1原子中才有

1个氢-2原子，但是

即使如此也已经足够了。海洋中有

35兆吨氢-2同位素，这些量

足以供给人们将来对能源的大量需求。

但问题依然存在。或许有人会觉得惊讶，人类可以利用核聚

变原理制造氢弹，为什么却不能制造出核聚变反应堆呢？因为制

造氢弹需要一个裂变式的原子弹进行引爆，借原子弹爆炸的高温

和高压来引发氢的核聚变反应。制造核聚变反应堆则需要一个较

和缓的点火器，显然我们必须使反应堆中的核聚变反应在固定而

且和缓的速率下进行，而不是在氢弹那样爆炸性的速率下进行。

获得一个和缓的核聚变反应点火器并非难事，强大的电流、高

能量的声波、激光束等都能在极短的时间内产生数百万度的高温，

无疑地，核聚变反应所需的高温是可以达到的。

维持高温使正在聚变的氢能停留在适当的位置却是另一回

事。因为氢核聚变要求温度高达

1亿度以上，所以没有任何物质

可以用做氢的容器。这样，不是容器被气化，就是降低氢的温度。

解决问题的第一步是降低氢的密度，并使其压力远低于正常压力，

此时，虽然氢的能量仍然高，但可以减少其热含量。解决问题的第

二步是一个极聪明的方法，即当气体在非常高温时，所有的电子都

会脱离原子核的束缚，而形成等离子体（20世纪

30年代由朗缪尔

所提出），它是由自由电子和脱去电子的原子核所构成。既然等离

子体是由带电粒子所构成的，我们为什么不用强大的磁场来控制

等离子体在容器中的位置呢？从

1907年起，大家就知道磁场能限

制电荷并且将它压挤在一起如同水流一般，这种效应称为箍缩效

应。磁瓶（图

10-6）的构想过去实验过并且证明有用，但是只在

一瞬间内，一小片等离子体被磁场限制于磁瓶中，很快地就像蛇一

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样扭曲、解体，然后消失。

图 10-6保存氢核热气（等离子体）用的磁瓶。环状物称为环面

另一种方法是在管末端加较强的磁场，如此等离子体就向管

末端推移，虽然等离子体仍有漏出，但情形并不严重。假如在 1亿

度时，等离子体在适当的位置固定 1秒钟，那么核聚变反应即可发

生，能量也可以释出系统之外。这些被释出的能量可以用来加强

外界磁场，使得温度保持在适当的范围内，如此核聚变反应就可以

自行维持下去，也就是利用核聚变反应本身的能量让反应堆维持

下去。但是要使等离子体在短短的数秒钟内不漏出，却是目前仍

然无法做到的事。

因为等离子体很容易自管末端漏出，为什么不除去末端而采

用形状类似炸面圈的管子呢？一种特别有用的设计就是将炸面圈

状的管子扭成 8字形。1951年，斯皮策设计了一种 8字形的装置

称为星温磁缩聚变器。另一种有用的装置是由苏联的物理学家阿

第十章 反应堆

第十章 反应堆

希墨维克所设计的，这种装置称为环形卡马拉流磁机或简称为托

卡马克。

美国物理学家除了使用托卡马克之外，还使用一种称为斯库

拉卡（Scyllac）的装置，因为能够容下浓度较大的气体，因此围堵时

间较短。

将近

20年来，物理学家已经一步步向核聚变动力迈进，虽然进展

十分缓慢，但并不表示利用核聚变是件完全不可能的事。

在科学家研究利用核聚变能量的同时，另一种实际的应用却被发

现了。等离子体焰的喷出物高达

5万摄氏度，在科学理论上普通的化

学火焰是绝对无法达到此种温度的，因此等离子体焰对废弃物可进行

最终处置。等离子体焰中的任何物质都会分解成其组成元素。因此

有用的元素都可经此步骤而加以回收利用。

（安石生 安锦绣 译）

ASIMOV'S

NEW GUIDE TO SCIENCE

阿西莫夫最新科学指南

［美］ I·阿西莫夫著

（下）

第十一章 分 子

有 机 物

分子（源自拉丁语，意为“小的质量”）一词最初是指物质的基

本的、不可分割的单位；从某种意义上说，分子的确是一种基本微

粒，因为如不丧失其特性就不能将其再分割。诚然，糖或水的分子

可以分成单个的原子或原子团，但这样一来它们就不再是糖和水

了。即使是 1个氢分子，一旦分解为 2个氢原子，也会丧失其特有

的化学性质。

正如原子使 20世纪的物理学获得了许多令人振奋的发现一

样，分子也使化学获得了许多振奋人心的发现。现在，化学家们已

经能够描绘出甚至是极其复杂的分子的详细结构图，能够辨别特

定分子在活的机体中的作用，能够创造出复杂的新分子，并且能够

以令人惊异的精确度预测某种已知结构的分子的性状。

到了 20世纪中期，人们业已运用现代化学和物理学所能提供

的各种技术，对构成活组织的关键成分——蛋白质和核酸——的

复杂分子进行研究。生物化学（研究在活组织中进行的化学反应

的学科）和生物物理学（研究与生命过程有关的物理力和物理现象

的学科）这两门科学融为一体，形成了一门崭新的学科——分子生

物学。由于分子生物学方面的种种研究成果，仅仅经过一代人的

努力，现代科学就几乎消除了生命与非生命的界限。

阿西莫夫最新科学指南

阿西莫夫最新科学指南

早期的化学主要是研究无机物。正是对无机气体性状的研

究，才导致了原子论的发展。原子论一经建立，人们很快就弄清楚

了无机分子的性质。分析结果表明，无机分子一般是由为数不多

的不同原子按一定的比例组成的。例如，水分子含有

2个氢原子

和

1个氧原子；盐分子含有

1个钠原子和

1个氯原子；硫酸含有

2

个氢原子、1个硫原子和

4个氧原子，等等。

当化学家们开始分析有机物时，情况就似乎大不相同了。两

种物质可以具有完全相同的成分，但却显示出截然不同的性质。

（例如，乙醇是由

2个碳原子、

1个氧原子和

6个氢原子所组成，二

甲醚也是如此，但前者在室温条件下是液体，后者却是气体。）有机

分子比简单的无机分子含有更多的原子，而且这些原子的结合方

第十一章 分 子

第十一章 分 子

式似乎也令人莫名其妙。简单的化学定律能够非常圆满地解释无

机物，但对有机化合物却简直是无能为力。

因此，贝采利乌斯断言，生命化学属于另外一种学科，它遵循

自己的一套神秘莫测的规律。他认为，只有活组织才能制造有机

化合物。他的这种观点就是生机论的范例。

后来，在

1828年，贝采利乌斯的学生、德国化学家维勒竟然在

实验室里制造出了一种有机物质！当时他正在加热一种叫做氰酸

铵的化合物，而当时普遍认为这种物质是无机物。维勒十分惊奇

地发现，这种物质在加热过程中变成一种在性质上与尿素（尿的一

种成分）完全相同的白色物质。按照贝采利乌斯的观点，只有活组

织才能形成尿素，然而维勒却由无机物将它制造了出来，而且仅仅

是加了一下热。

维勒将这个试验重复做了许多次，最后才敢公布他的发现。

贝采利乌斯和其他一些人起初根本不相信这是事实。然而，另外

一些化学家却证实了这一结果。不仅如此，他们还陆续由无机原

料合成了许多其他的有机化合物。第一位将元素合成有机化合物

的是德国化学家科尔贝，他于

1845年按这种方式制造出了醋酸

（使醋产生味道的物质）。正是这项成就才真正地摧毁了贝采利乌

斯的生机论。事情变得越来越清楚，适用于无机分子的化学定律，

也同样适用于类似的有机分子。最后，人们对有机物和无机物之

间的区别下了一个定义：凡是含有碳的物质（个别简单的化合物如

二氧化碳例外）统称为有机物；其余的则称为无机物。

化学结构

要研究这门复杂的新化学，化学家们需要有一套表示化合物

的简洁符号。幸运的是，贝采利乌斯已经提出了一个简便而合理

的符号系统，即各元素都用它的拉丁文名称的缩写来表示。这样，

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，

O就代表氧，

H就代表氢，

N就代表氮，

S就代表硫，

P

就代表磷，等等。如果两种元素的名称的第一个字母相同，则再用

第二个字母，以资区别，例如：

Ca代表钙，

Cl代表氯，Cd代表镉，Co

代表钴，

Cr代表铬，等等。仅在少数情况下，拉丁文或拉丁化名称

（和首字母）不同于英文，例如：铁用

Fe表示，银用

Ag表示，金用

Au表示，铜用

Cu表示，锡用

Sn表示，汞用

Hg表示，锑用

Sb表

示，钠用

Na表示，钾用

K表示。

有了这个符号系统，很容易表示出某种分子的组成。水写作

H2O（由此表明该分子由

2个氢原子和

1个氧原子组成）；盐写作

NaCl；硫酸写作

H2SO4，等等。这就是化合物的经验式，它能告诉

我们该化合物是由什么物质组成的，但却没有说出它的结构，即没

有说明分子中的各个原子是以何种方式结合的。

1831年，维勒的一位合作者李比希进一步研究出一系列有机

化学制品的成分，从而将化学分析应用到了有机化学领域。他小

心地燃烧少量的有机物，并用适当的化学制品来捕获燃烧时生成

的气体（主要是

CO2和水蒸气

H2O）。然后，他称出用于捕获该燃

烧产物的化学制品的重量，看它在捕获了燃烧产物之后增加了多

少重量。根据这一重量，他就能测定出原有机物的碳、氢和氧的重

量。这样，根据各元素的原子量，就很容易计算出原有机物分子中

各种原子的数目。例如，他用这种方法确定乙醇的分子式为

C2H6O。

李比希的这种方法无法测量出有机化合物中氮的含量。

1833

年，法国化学家杜马发明的一种燃烧方法却能收集由物质释放出

来的气态氮。1841年，他用这种方法以空前的精度对大气的成分

进行了分析。

有机分析方法变得日益精密，后来，奥地利化学家普列格尔发

明的微量分析方法更是精益求精，可算是真正的奇迹。普列格尔

第十一章 分 子

于

1909年开始研制一项能够精确分析肉眼勉强能看见的微量有

机化合物的技术，并因此而获得了

1923年的诺贝尔化学奖。

令人遗憾的是，仅仅确定有机化合物的分子式对于阐明它们

的化学性质并没有多大帮助。同一般仅由两三个、至多也不过十

几个原子构成的无机化合物相反，有机分子的原子数目却往往大

得惊人。李比希发现，吗啡的分子式是

C17H19O3N，马钱子碱是

C21H22O2N2。

要研究如此大的分子，或者搞清楚它们的分子式，化学家们无

不感到一筹莫展。维勒和李比希试图将原子归并成较小的集合即

原子团，并试图创立一种理论，以证明不同的化合物是由数目不

等、组合方式不同的特定原子团组成的。他们的有些方案是极为

巧妙的，但没有一种方案能真正说明问题。尤其难以解释清楚的

是，为什么分子式相同的两种化合物，如乙醇和二甲醚，竟会具有

不同的性质。

19世纪

20年代，李比希和维勒率先使这一问题的解决展现

出一道曙光。当时，李比希正在研究一组叫做雷酸盐的化合物，维

勒则正在研究一组叫做异氰酸盐的化合物，结果他们发现，这两组

化合物具有完全相同的分子式，也就是说，它们的元素的数目是相

同的。当时的化学界权威贝采利乌斯得知这一消息后，竟不相信

这一发现。直到

1830年他本人也发现了一些这样的实例，才不再

怀疑。贝采利乌斯把这些元素组成相同但性质各异的化合物命名

为同分异构体。在那个年代，有机分子的结构的确是一个难解之

谜。

19世纪

50年代，陷入有机化学这个迷宫中的化学家们开始

看到一线光明。他们发现，每种原子都只能同一定数目的其他原

子相结合。例如，氢原子显然只能与一个原子结合：它可以形成氯

化氢

HCl，但永远形不成

HCl2。同样，氯和钠各自都只能有一个伙

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是

NaCl。可是，一个氧原子却能够同两个原

子作伴，如

H2O。氮能够同

3个原子结合在一起，如

NH3（氨）。碳

能够同多达

4个原子结合，如

CCl4（四氯化碳）。

总之，每种原子好像都有一定数目的钩子来钩住其他原子。

1852年，英国化学家弗兰克兰首次清楚地阐述了这一理论，他将

这些钩子称为价键（为一拉丁词，意思为“力”），用于表示各种元素

的结合能力。

德国化学家凯库勒发现，如果假定碳的价键是

4，并假定碳原

子能够利用这些价键（至少是部分价键）彼此相连成链，那么就可

以走出有机化学这个迷宫，绘制出分子的结构图。苏格兰化学家

库拍提议将原子间的这种结合力（通常称之为键）画成短线的形

状，从而使凯库勒的描述方法变得更加直观。这样有机分子就可

以建立起犹如“结构玩具”

①所组成的许许多多的结构。

1861年，凯库勒编著的一本教科书问世，其中就有许多这样

的图例，证明既方便又实用。从此，结构式就成了有机化学家的印

记。

例如，甲烷（

CH4）、氨（

NH3）和水（

H2O）的结构式可分别写做：

HH

HCH HNH HOH

H

有机分子可以用两侧各连接若干个氢原子的碳链来表示。例

如，丁烷（C4H10）具有如下结构：

①

一套各种形状的零件，儿童可用螺栓等自由地组合成车辆、房子等结构。

——译注

第十一章 分 子

第十一章 分 子

HCCCCH

HHHH

以甲醇（

CH4O）和甲胺（

CH5N）为例，氧和氮可以以如下方式

进入碳链中：

H HH

HCOH HCNH

HH

有些原子不止拥有

1个钩子，如碳原子有

4个钩子，每一个钩

子不一定都要与

1个不同的原子相连；它还可以同相邻的原子形

成双键或三键，例如，在乙烯（C2H4）和乙炔（C2H2）中：

HH

HCCH (乙烯)

HCCH（乙炔）

现在很容易明白，为什么两种分子所含的各种元素的原子数

目可以完全相同，而二者的性质却不相同。这两种同分异构体必

定具有不同的原子排列方式。

例如，乙醇和二甲醚的结构式可分别写做：

H H H H

H C C O H（乙醇）

H C O C H（二甲醚）

H H H H

分子中的原子越多，可能的排列方式就越多，同分异构体也就

越多，例如，庚烷分子是由

7个碳原子和

16个氢原子组成的，它可

以有

9种不同的排列方式，换句话说，可能有

9种不同的、各具特

性的庚烷。这

9种同分异构体彼此十分相像，但仅仅是种族上的

相像而已。化学家们已制出所有这

9种物质，但从未发现第

10

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一种含有

40个碳原子和

82个氢原子的化合物约有

62.5×

1012种可能的排列方式或同样数目的同分异构体。而这样大的有

机分子并不罕见。

只有碳原子能够互相连接形成很长的链，其他原子若能形成

含有五六个原子的链就算不错了。因此，无机分子一般都很简单，

也很少有同分异构体。有机分子的高度复杂性使之出现众多的同

分异构现象，目前已知的有机化合物已达数百万种，而且每天都有

新的化合物形成，还有不计其数的化合物有待人们去发现。

现在，人们普遍应用结构式作为探索有机分子性质的必不可

少的向导。作为一种捷径，化学家们常常以构成分子的原子团或

基，如甲基（

CH3）和亚甲基（

CH2），来书写分子的结构式。因此，丁

烷的结构式可以简写成

CH3CH2CH2CH3。

结构的细节

19世纪后半叶，化学家们发现了一种特别奇妙的同分异构现

象，后来证明，这种现象在生命化学中是极其重要的。这一发现

是，某些有机化合物对通过它们的光束具有一种奇异的不对称效

应。

旋光性

从普通光束的一个截面可以看出，构成该光束的无数波在所

有平面呈上下、左右和斜向振动。这类光称为非偏振光。但是，当

光束通过透明物质的晶体（如冰洲石）时，就会发生折射，使出射光

第十一章 分 子

第十一章 分 子

正如法国物理学家马吕于 1808年所首先发现的那样，反射光

往往是部分平面偏振光（他利用牛顿关于光粒子极点的论点——

这一点牛顿错了，但这个名字却沿用至今——创立了偏振这一术

语）。因此，配戴偏振片太阳镜，可以使从建筑物和汽车窗玻璃甚

至从公路路面反射到眼睛的强烈阳光减弱到柔和的程度。

图 11-1光的偏振。光波正常情况下在所有平面振动（上图）。尼科耳棱镜

（下图）只允许在一个平面内振动的光通过，其余的光都被反射掉。因此，透射光

为平面偏振光

1815年，法国物理学家毕奥发现，当平面偏振光通过石英晶

体时，偏振面会转动。也就是说，光以波浪形进入一个平面，而以

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。

1844年，巴斯德（当时他只有

22岁）被这个有趣的问题给迷

住了。他研究了两种物质：酒石酸和外消旋酸。二者虽然具有相

同的化学成分，但酒石酸能使偏振光的振动平面转动，而外消旋酸

却不能。巴斯德猜想，或许能够证明，酒石酸盐的晶体是不对称

的，而外消旋酸盐的晶体是对称的。出乎他的意料，通过在显微镜

下观察这两组盐的晶体，他却发现二者都是不对称的。不过，外消

旋酸盐晶体具有两种形式的不对称性：一半晶体与酒石酸盐晶体

的形状相同，而另一半则为镜像。也就是说，外消旋酸盐的晶体，

有一半是左旋的，一半是右旋的。

巴斯德煞费苦心地将左旋的和右旋的外消旋酸盐晶体分开，

然后分别制成溶液，并让光束通过每一种溶液。果然，与酒石酸晶

体有着相同不对称性的晶体，其溶液像酒石酸盐那样使偏振光的

振动面发生转动，而转动角度也相同。这些晶体就是酒石酸盐。

另一组晶体的溶液则使偏振光的振动面向相反方向转动，转动角

度相同。由此可见，原外消旋酸盐之所以没有显示出旋光性，是因

为这两种对立的倾向互相抵消了。

接着，巴斯德又在这两种溶液中加入氢离子，使这两类外消旋

酸盐再变为外消旋酸。（顺便说一句，盐是酸分子中

1个或数个氢

离子被钾或钠这类带正电的离子取代后生成的化合物）。他发现，

这两类外消旋酸都具有旋光性，其中一类使偏振光转动的方向与

第十一章 分 子

第十一章 分 子

以后又发现了许多对这样的镜像化合物即对映体（源于希腊

语，意为“相反的形状”）。1863年，德国化学家维斯利采努斯发

现，乳酸（酸牛奶中的酸）能形成这样的化合物。他进一步证明，除

了对偏振光所产生的作用不同外，这两种乳酸的其他性质完全一

样。后来证实，这一点对于各种镜像化合物是普遍成立的。

到这时为止，事情都还算顺利。但是，不对称性是如何产生的

呢？又是什么东西使两种分子彼此互为镜像的呢？巴斯德未能回

答这些问题。提出存在分子不对称性的毕奥，尽管活到

88岁的高

龄，生前也未能看到他凭直觉得出的结论被证明是正确的。

直到

1874年，即毕奥死后的第

12年，才最后找到答案。两位

年轻的化学家——一位是名叫范托夫的

22岁的荷兰人，另一位是

名叫勒贝尔的

27岁的法国人——各自独立地提出了关于碳的价

键的新理论，从而解答了镜像分子的构成问题。（自此以后，范托

夫毕生从事溶液中的物质性状的研究，并证明了支配液体性状的

定律类似于支配气体性状的定律。由于这项成就，他于

1901年成

为第一个获得诺贝尔化学奖的人。）

凯库勒把碳原子的

4个价键统统画在同一个平面内，这并不

一定是因为碳键确实是这样排列的，而只是因为把它们画在一张

平展的纸上比较简便而已。范托夫和勒贝尔则提出了一个三维模

型。在这个模型中，他们将

4个价键分配在两个互相垂直的平面

内，每个平面各有两个价键。描绘这一模型的最好办法，是设想

4

个价键中的任意

3个价键作为腿支撑着碳原子，而第

4个价键则指

向正上方。如果假定碳原子位于正四面体（

4个面都是正三角形的

几何图形）的中心，那么，这

4个价键就指向该正四面体的

4个顶

点。因此，这个模型被称之为碳原子的正四面体模型（图

11-2）。

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图 11-2碳原子的正四面体模型

现在让我们把 2个氢原子、1个氯原子和 1个溴原子连接在

这 4个价键上。不论我们把哪个原子与哪个价键连接，总是得到

同样的排列。读者不妨亲自动手试试看。首先，将 4根牙签以适

当的角度插入一块软糖（代表碳原子）中，这样就有了 4个价键，然

后将 2颗黑橄榄（代表氢原子）、1颗绿橄榄（代表氯原子）和 1颗

樱桃（代表溴原子）任意插在牙签的另一端。如果你让这个结构的

3条腿站立在桌面上，而上方所指的是一颗黑橄榄，那么， 3条腿上

的东西按顺时针方向依次是黑橄榄、绿橄榄和樱桃。现在你可以

将绿橄榄和樱桃的位置交换一下，那么顺序就变为黑橄榄、樱桃和

绿橄榄了。如果你想恢复到原来的顺序，你只需将这个结构翻转

一下，即使原来作腿的那颗黑橄榄指向空中，而使原来指向空中的

黑橄榄立于桌面。这样， 3条腿的顺序就又是黑橄榄、绿橄榄和樱

桃了。

换句话说，如果同碳原子的 4个价键连接的 4个原子（或原子

团）中至少有两个是完全相同的话，那么，就只能有一种排列方式。

（显然，若所连接的原子或原子团有 3个或所有 4个都是相同的，

当然也是这种情形。）

然而，当连接在碳键上的 4个原子（或原子团）都不相同时，情

况就会发生变化。这时就能够有两种不同的排列方式——一个是

另一个的镜像。例如，如果你在朝上的腿上插一颗樱桃，在 3条立

第十一章 分 子

第十一章 分 子

着的腿上分别插上黑橄榄、绿橄榄和洋葱片。如果你将黑橄榄和

绿橄榄调换一下位置，那么按顺时针方向的顺序则依次为绿橄榄、

黑橄榄和洋葱片。在这种情形下，无论怎样旋转这个结构，都不能

使恢复到调换前的顺序，即黑橄榄、绿橄榄和洋葱片。可见，当碳

键所连接的

4个原子（或原子团）都不相同时，总是得到两种不同

的、互为镜像的结构。读者不妨试试看。

范托夫和勒贝尔就这样揭开了旋光性物质不对称性的秘密。

原来使光向相反方向转动的镜像物质的碳原子，其价键连接着

4

个不同的原子或原子团。这

4个原子或原子团有两种可能的排列

方式，一种使偏振光右旋，另一种使偏振光左旋。

越来越多的证据有力地支持了范托夫和勒贝尔的碳原子正四

面体模型。到

1885年，他们的理论已得到普遍承认（这要部分归

功于维斯利采努斯的热情支持）。

三维结构的概念还被应用于碳原子以外的其他原子。德国化

学家迈尔成功地将这一概念应用于氮原子，而英国化学家波普则

将其应用于硫、硒和锡原子。德国血统的瑞士化学家韦尔纳将其

应用到更多的元素。他还于

19世纪

90年代着手创立一种坐标理

论，即通过认真研究某一中心原子周围的原子和原子团的分布，来

解释复杂的无机物的结构。由于这项成就，韦尔纳获得了

1913年

的诺贝尔化学奖。

巴斯德将分离的两种外消旋酸分别命名为

d酒石酸（右旋

的）和

l酒石酸（左旋的），并且为它们写出了镜像结构式。然而，

哪一个是真正的右旋化合物，哪一个是左旋化合物，当时尚没有办

法分清。

为了向化学家们提供用以区分右旋物质和左旋物质的参照物

或对比标准，德国化学家

E. 费歇尔选择了食糖的近亲，即称之为

甘油醛的简单化合物。它是当时研究得最为透彻的旋光性化合物

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CHO CHO

HCOHOHCH

CH2OH CH2OH

D 甘油醛 L甘油醛

任何一种化合物，只要能用适当的化学方法证明（这是一项相

当细致的工作）它具有与 L甘油醛类似的结构，那么，不管它对偏

振光的作用是左旋的还是右旋的，都被认为属于 L系列，并在它

的名称前冠以 L。后来发现，过去认为是左旋形态的酒石酸原来

属于 D系列，而不属于 L系列。现在，凡在结构上属于 D系列而

使光向左转动的化合物，我们就在它的名称前面冠以 D（-）；同

样，有些化合物则要冠以 D（+）、L（+）和 L（-）。

现在看来，潜心研究旋光性的细节具有重要意义，决不是在好

奇心的驱使下所做的徒劳无益的工作。说来也巧，活机体中几乎

所有的化合物都含有不对称的碳原子。而且，活机体总是只利用

化合物的两种镜像形态中的一种。另外，类似的化合物一般属于

同一种系列。例如，在活组织中发现的所有单糖实际上都属于 D

系列，而所有的氨基酸（组成蛋白质的基本单位）属于 L系列。

1955年，荷兰化学家比杰沃特终于确定了什么样的结构会使偏

振光左旋，什么样的结构会使偏振光右旋。人们这才知道，在左旋

形态和右旋形态的命名上，E. 费歇尔只不过是碰巧猜对了而已。

苯环自相矛盾的现象

在凯库勒的结构式系统牢固建立之后的若干年内，人们仍然

第十一章 分 子

第十一章 分 子

第

1825年发现的）。化学分析结果表明，它是由

6个碳

原子和

6个氢原子组成的。那么，多余的碳键哪里去了呢？（以单

键彼此相连接的

6个碳原子能够结合

14个氢原子，我们所熟知的

化合物己烷

C6H14的情况就是如此。）显然，苯中的碳原子有些必

定是以双键或三键相连的，因此，苯的结构式可能是

CH≡C－CH＝CH－CH＝CH2。不过，问题在于，具有这类结构

的各种已知化合物的性质却与苯的性质截然不同。另外，所有的

化学证据似乎都表明，苯分子是非常对称的，

6个碳原子和

6个氢

原子绝不可能以任何合理的对称方式排列在

1条直链上。

1865年，凯库勒自己找到了答案。若干年后，他在谈起发现

苯分子结构的经过时说，有一次他坐在公共汽车里昏昏欲睡。在

他似睡非睡之中，碳原子的链似乎都活了起来，在他眼前翩翩起

舞……突然，

1条碳链像蛇一样地盘成一圈。凯库勒猛然从昏睡

中惊醒，不觉喊道：“我找到了！”①他的答案是：苯分子是

1个环。

凯库勒提出，苯分子中的

6个碳原子是按如下方式排列的：

H

HCH

CC

CC

HC

H

H

①“我找到了！”相传是阿基米得在澡盆里发现浮力定律时喊过的一句话。这句

话也是美国加利福尼亚州的一句名言，比喻在那里发现了金矿。——译注

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另

1个原子取代苯的任何

1个氢原子时总是生成同一种产

物。因为环中的各个碳原子从结构上彼此是无法区分开的，所以

无论取代环中的哪个氢原子，都只会得到相同的产物。其次，环状

结构表明，取代环中两个氢原子的方式只有

3种：取代环中两个相

邻碳原子的氢原子；取代两个相间的碳原子上的氢原子；取代两个

相对的碳原子上的氢原子。后来发现，果然只能制出

3种二取代

苯的同分异构体。

然而，凯库勒所设计的这幅苯分子蓝图却带来了一个难以解

决的问题。一般说来，具有双键的化合物要比仅有单键的化合物

活泼，或者说，更不稳定。过剩的碳键似乎随时准备摆脱碳原子的

束缚，而去同新的原子或原子团相结合。因此，很容易给双键化合

物添加上氢原子或其他原子，甚至能毫不困难地使它们断裂。但

苯却极其稳定，甚至比仅有单键的碳链还要稳定。（事实上，苯环

在有机物中是如此稳定和普遍，致使含有苯环的分子构成了整整

一个大类，这就是芳香族化合物，而其余的有机物则总称为脂肪族

化合物。）苯分子既不能再添加氢原子，又难于断裂。

对于苯分子中的双键所具有的这种奇怪的稳定性，19世纪的

化学家无法做出解释，并为此大伤脑筋。这一点看起来微不足道，

然而，整个凯库勒结构式系统却因为苯分子不肯就范而陷入窘境。

由于这一系统未能解释这一明显的自相矛盾的现象，其余的一切

也就变得捉摸不定了。

在

20世纪以前，德国化学家悌勒的解释最接近于正确答案。

他于

1899年提出，当双键与单键相间排列时，

1对双键的相邻两

端由于某种缘故而彼此中和，并抵消了彼此的活动性。作为一个

例子，让我们来看看丁二烯。丁二烯形状最为简单，仅具有被

1个

单键隔开的两个双键（共轭双键）。如果想在它上面添加两个原

第十一章 分 子

第十一章 分 子

子，那就只能如下式所示，添加在位于两端的碳原子上。这种观点

认为，由于苯的

3个双键位于同一个环上，因此彼此就完全中和

了，因而解释了苯的稳定性。

CH2＝CH－CH＝CH2

此处可添加原子

大约在

40年之后，根据新的化学键理论找到了更好的答案。

这种新理论将原子看作是由共享电子连接的。

凯库勒曾将化学键画作两个原子之间的

1条短线，而现在则

被看成是

1对共享电子（见第六章）。当

1个原子同

1伙伴结合

时，这个原子就与这个伙伴共享它的

1个电子，而这个伙伴也向价

键捐献出

1个电子作为回报。碳原子的外壳层有

4个电子，因而

能结合

4个原子或原子团；氢原子能向价键赠送

1个电子，因而能

结合

1个其他的原子，等等。

这就产生了一个问题：电子是怎样被共享的呢？两个碳原子

显然是均等地共享它们的电子对的，因为它们对电子的吸力相等。

另外，在像

H2O这样的化合物中，氧原子对电子的吸力比氢原子

大，因此，氧原子在与氢原子共享电子对时占得就多一些。这意味

着，氧原子由于电子占得多一些而带有稍微过剩的负电荷，氢原子

由于电子占得少一些而带有稍微过剩的正电荷。

1个含有氢氧对

的分子，如水或乙醇，由于分子的某一部分集中了较多的正电荷而

在另一部分集中了较多的负电荷，结果便形成了两个电极。这样

的分子称为极性分子。

有关分子结构的这种观点是荷兰化学家德拜于

1912年首先

提出来的（后来他提出了获得极低温度的磁性方法，见第六章）。

他利用电场来测量分子中两电极间的距离。在电场中，极性分子

会按正极对负极、负极对正极的方式排列起来，因此就很容易测量

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纪

30年代初期，测量偶极矩已成为一项

常规性工作。德拜由于这项成就及其他方面的贡献而获得了

1936年的诺贝尔化学奖。

有关分子结构的这个新看法阐明了早期观点所无法解释的一

系列现象。例如，它能说明物质沸点的某些反常现象。总的来说，

分子量越大，沸点就越高。不过，这条规则常被打破。分子量仅为

18的水在

100℃时沸腾，而分子量为

44（高出水分子量的两倍）的

丙烷却在低得多的温度（-42℃）下开始沸腾。为什么会有这种差

异？答案是：水是偶极矩很大的极性分子，而丙烷是非极性的——

它不具有电极。极性分子总是倾向于按正极对负极、负极对正极

的方式排列。由于相邻分子之间存在静电引力，要使这些分子彼

此分离是很困难的，因此，这样的物质具有较高的沸点。因而，虽

然乙醇与它的同分异构体二甲醚具有相同的分子量（

46），但乙醇

的沸点（

78℃）要比二甲醚的沸点（-24℃）高得多。乙醇具有很大

的偶极矩，而二甲醚的偶极矩却很小。水的偶极矩甚至比乙醇的

还要大。

自从德布罗意和薛定谔提出电子是波包而不是轮廓分明的粒

子这个新的电子观点（见第八章）之后，化学键的概念经历了一次更

深刻的变化。

1939年，美国化学家泡令在一本题为《化学键的本质》

的书中提出了分子键的量子力学概念。特别值得一提的是，他的理

论终于解释了苯分子具有极大稳定性这种自相矛盾的现象。

泡令将构成价键的电子描述为它所联结的两个原子之间的共

振。他证明，在一定条件下，必须认为电子占据着许多位置中的任

何一个位置（但概率不同）。由于电子具有类似波的性质，所以最

好是把电子想象为被泼散开的一摊墨迹，以代表这些位置的单概

率的加权平均值。电子散开得越均匀，该化合物就越稳定。如果

分子拥有数个位于同一平面内的共扼键，并且所具有的对称性能

第十一章 分 子

第十一章 分 子

够使电子（视为

1个粒子）拥有数个可供选择的位置，那么，这种共

振稳定性就最有可能发生。苯环是在一个平面上而且是对称的。

泡令证明，苯环的价键实际上并不是单、双键相间，而可以说是电

子泼散开来，形成一种均匀分布，从而使所有的价键都十分相像，

并且全都比普通的单键更牢固、更稳定。

共振结构虽然能圆满地解释化学键的性状，但却很难用画在纸

上的简单图形来表示。正因为如此，尽管用现代的观点来看，古老

的凯库勒结构只不过是对电子实际状况的近似描述，但它至今仍被

普遍应用，而且直到可预见到的将来，无疑还要被继续沿用下去。

有机合成

在科尔贝制成醋酸之后，有一位化学家在

19世纪

50年代对

有机物质的实验室合成开始进行全面系统的、有条有理的研究。

他就是法国人贝特洛。贝特洛首先利用一些像一氧化碳这样的更

为简单的无机物制成了一系列简单的有机化合物，然后逐步增加

后者的复杂性，最后得到相当复杂的有机化合物，如乙醇。当然，

这是合成乙醇，但它同

“真品

”毫无区别，因为它就是真品。

乙醇是大家都很熟悉的一种有机化合物，而且倍受许多人的

青睐。化学家们不必用水果或粮食作为原料，而仅用煤、空气和水

就能制造出乙醇（煤提供碳，空气提供氧，水提供氢），这个想法的

确非常迷人，从而使化学家们荣获了“奇迹创造者”这一新称号。

总而言之，有机合成被提上了重要议事日程。

然而，对于化学家们来说，贝特洛所做的甚至更有意义。他开

始合成自然界中并不存在的一些产物。他用甘油（舍勒于

1778年

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发现的一种化合物，可从分解活机体的脂肪制取）和某些酸（虽然

知道它们天然地存在于别的地方，但当时并不知道它们天然地存

在于脂肪中）化合，结果获得了若干种与活机体中的脂肪不尽相同

的脂肪性物质。

于是，贝特洛为一种新的有机化学——自然界中所不存在的

分子的合成——奠定了基础。这意味着，人们不仅能制造一些也

许在性能上稍差一些的合成物质，来替代某些因数量不足而很难

或不能满足需求的天然化合物，而且还能制造出性能比天然物质

还要好的合成物质。

自从贝特洛指明了道路之后，有机合成不仅能够弥补天然特

质之不足，而且还能以这种或那种方式使其性能得到改善，这种观

点在化学家们的心目中相当牢固地树立了起来。由这种新观点所

产生的第一批成果是在染料领域。

第一批合成物质

有机化学的研究始于德国。维勒和李比希都是德国人，继他

们之后，德国又出现了其他一些颇具才华的有机化学家。然而，在

19世纪中叶之前，英国甚至根本没有能同德国相提并论的有机化

学家。事实上，英国的学校当时对化学极不重视，只在午饭后的休

息时间教授这门课程，并不指望（也许根本就不愿意）许多学生对

化学产生兴趣。因此，第一个轰动世界的合成工艺竟出自英国，实

在令人惊奇。

事情的大致经过如下：1845年，伦敦皇家理科学院终于作出

认真开设化学课程的决定，并请来一位年轻的德国人执教。这个

人就是当时只有

27岁的

A. W.霍夫曼。建议聘用

A. W.霍夫曼

的是维多利亚女王的丈夫阿尔贝特亲王（亲王本人也是德国血

统）。

第十一章 分 子

第十一章 分 子

A. W.霍夫曼感兴趣的课题很多，煤焦油即是其中之一，他曾

在李比希指导下从事的第一个研究项目中接触过这种物质。煤焦

油是在煤与空气隔绝条件下高温加热而产生的一种黑色粘稠物

质。它虽然不讨人喜欢，但却是有机化学药品的一个重要来源。

例如，在

19世纪

40年代，它是大量制取相当纯净的苯和一种称之

为苯胺的含氮化合物（与苯有关）的原料，以上两种化合物都是

A. W.霍夫曼最先从煤焦油中提取出来的。

A. W.霍夫曼来到英国

10年之后，偶然遇到一位名叫珀金的

17岁少年，他当时正在皇家理科学院学习化学。A. W.霍夫曼慧

眼识英才，而且一旦发现人才，便热情扶持。他把这位少年提升为

助教，让他从事煤焦油化合物的研究工作。珀金对工作满腔热情，

从不懈怠。他在家里建立了一个实验室，从学校回来之后就在家

里的实验室里继续工作。

A. W.霍夫曼对化学在医学上的应用也很感兴趣。

1856年

的一天，他在沉思中喃喃自语：能不能用化学方法合成奎宁（一种

治疗疟疾的天然物质）呢？这时结构式尚未盛行起来，人们只知道

奎宁的原子组成，至于它的结构有多么复杂，当时无人知晓。（直

到

1908年人们才正确地推导出奎宁的结构式。）

年仅

18岁的珀金，多亏他对奎宁的复杂结构一无所知，才敢

于去解决奎宁的合成问题。他开始用的原料是他从煤焦油中提取

的一种化合物烯丙基甲基苯胺。它的分子所含的各种原子的个数

似乎均为奎宁的一半。珀金猜想，如果使两个这样的分子合并在

一起，再把所缺的氧原子补足（比如说，混入一些重铬酸钾。它能

使与它混合的化合物增添氧原子，这在当时已为人所知），那么，或

许就能得到奎宁分子。

这种做法当然不会给珀金带来任何结果。他所得到的只是一

种肮脏的棕红色黏液，后来他改用苯胺进行试验，结果得到一种黑

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色黏液。可是在这种黑色黏液中，他隐约看到了一种紫色闪光。

他加进一些酒精，那些无色的酒精便变成了美丽的紫色。珀金立

即意识到，他或许发现了一种可用作染料的物质。

染料一向是深为人们喜爱但价格昂贵的物质。在古代，色泽

鲜艳、耐洗耐晒的优质染料寥寥无几。这些染料有取自靛蓝植物

的靛蓝和与之关系密切的菘蓝（罗马时代初期，不列颠曾因菘蓝而

闻名于世）；有取自蜗牛类动物的推罗紫（得名于古代的推罗城

①，

该城曾靠此业致富。在罗马帝国后期，皇家的孩子都诞生在挂有

推罗紫壁毯的房间里，皇族“生于紫色之中”的说法即由此而来）；

还有取自茜草科植物的淡红色的茜素（茜素一词源于阿拉伯语，意

为“汁液”）。除以上几种从古代和中世纪传下来的染料之外，后来

的染匠又增添了几种热带染料和无机颜料（现在主要用于绘画）。

这就可以说明，当珀金意识到他的紫色物质有可能成为染料

时，他为什么会那么激动了。在一位朋友的建议下，他给苏格兰的

一家对染料感兴趣的公司寄去了一些样品，并很快得到回音：紫色

化合物性能良好。那么，能不能廉价供应呢？于是，珀金便着手申

请专利（对于一个

18岁的年轻人能否获得专利一事，人们争论不

已，但他还是终于获得了专利），并退学转入了实业界。

要实现他的这个计划，可不是轻而易举的事。珀金必须白手

起家，用自行设计的设备从煤焦油中制取他自己的原料。然而，他

在

6个月之内就制取了他称之为苯胺紫的物质，这是一种自然界

中所没有的化合物，其色度范围超过任何天然染料。

法国染匠比保守的英国染匠更快地采用了这种新染料，他们

把这种由锦葵属植物制取的颜色称之为锦葵紫，而将这种染料称

①现在译为提尔（今改名为苏尔），黎巴嫩南部省沿海城镇。该城在中文《圣经》

中称为推罗。曾以丝制品和推罗紫染料而闻名。——译注

第十一章 分 子

第十一章 分 子

之为锦葵紫染料。不久，这种染料便风行于整个世界（这个时期有

所谓“苯胺紫十年”之称）。珀金因此而致富，

23岁时就成了染料

方面的世界权威。

就这样，大坝被冲垮了。在珀金的惊人成就的鼓舞下，许多化

学家都转到了合成染料的研究上来，而且有不少人获得了成功。

珀金的老师

A. W.霍夫曼也转向这一新领域，并在

1858年合成了

紫红色染料。后来法国染匠（迄今仍是时髦式样的主宰）给它取

名叫马真塔，这是意大利一个城市的名字，法军曾于

1859年在此

大败奥军。

1865年，A. W.霍夫曼怀着对染料的新的兴趣返回德国。他

发现了一批至今仍被称之为霍夫曼紫的紫色染料。到了

20世纪

中叶，商用合成染料的数目已不下

3 500种。

另一方面，化学家们在实验室中还成功地合成了天然染料。

珀金和德国人格雷贝分别独立地于

1869年合成了茜素（格雷贝先

于珀金一天申请专利）。德国化学家拜耳于

1880年研制了靛蓝的

合成方法（由于在染料领域的成就，拜耳获得了

1905年的诺贝尔

化学奖）。

珀金在他

35岁那一年，即

1874年，退出实业界，重新回到他

当初所喜爱的研究工作上。1875年，他设法合成了香豆素（一种

天然物质，具有令人愉快的新收割的牧草的香味），这便是香料合

成工业的开端。

面对德国有机化学的巨大发展，珀金一个人并不能使英国在

这方面保持优势；在上世纪末和本世纪初，“化学合成物质”几乎为

德国所垄断。继承珀金所开创的合成香料事业的，是一位名叫瓦

拉赫的德国化学家。1910年，瓦拉赫因其研究成果而获得了诺贝

尔化学奖。在瑞士执教的克罗地亚化学家卢齐卡首次合成了一种

重要的香料——麝香。他分享了

1938年的诺贝尔化学奖。然而，

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在第一次世界大战期间，英国和美国由于无法进口德国化学实验

室的产品，被迫发展他们自己的化学工业。

生物碱和止痛药

如果化学家们真的只能像珀金那样靠碰运气行事，那么，要想

在有机化学领域取得成就那就只有靠摸索了。幸运的是，在珀金

发现苯胺紫后不过

3年，就出现了凯库勒的结构式，从而使描绘有

机分子的蓝图成为可能。化学家们不再仅凭猜测和愿望来制备奎

宁了，他们已拥有能够一步步攀登上分子结构高峰的种种方法，而

且能够预见前进的方向和可望得到的结果。

化学家们已经知道如何把

1个原子团替换成另

1个原子团，

如何把原子环打开和如何把开放的链围成闭合的环，如何把一些

原子团分成两部分，以及如何把碳原子一个挨着一个地连接成链。

完成有机分子内某一特定结构的特殊方法，往往仍以首先描述这

种方法的化学家的姓氏来命名。例如，珀金发现，把某些物质与醋

酸酐或醋酸钠一起加热，能使这些物质增加

1个含有

2个碳原子

的原子团。这种方法迄今仍称之为珀金反应。珀金的老师

A. W.

霍夫曼发现，在有一种银化合物存在的情况下，含氮的原子环在用

一种被称为甲基碘的物质进行处理时，这个环最终会断裂并释放

出氮原子。这就是霍夫曼降解反应。1877年，法国化学家弗里德

与美国化学家克拉夫茨合作，发现使用氯化铝并加热，可以给苯环

添加

1个短碳链。这种方法现在称之为弗里德-克拉夫茨反应。

1900年，法国化学家格利雅发现，如果能够正确地使用金属

镁，就能够造成大量具有不同结合方式的碳链。他在他的博士论

文中提出了这个发现。由于对这些格利雅反应的研究，格利雅分

享了

1912年的诺贝尔化学奖。与格利雅分享诺贝尔化学奖的是

法国化学家萨巴蒂埃，他（与桑德仑一起）发现，利用细镍粉能够使

第十一章 分 子

第十一章 分 子

碳链在双键处增加氢原子。这种方法就是萨巴蒂埃

-桑德仑反应。

1928年，德国化学家狄尔斯和阿尔德发现了一种方法，能够

使碳链的两端与另一碳链的双键的两端相连，形成一个原子环。

这就是狄尔斯

-阿尔德反应。由于这一发现，他们共同获得了

1950年的诺贝尔化学奖。

换句话说，通过记录物质的结构式在各种化学药品和不同条

件的影响下发生的变化，有机化学家们制定出一套日渐增多的程

序，告诉人们如何按自己的愿望把一种化合物转变为另一种化合

物。这并非易事，因为每一种化合物和每一个变化都有自己的特

点和难点。不过，主要道路已经畅通，而且熟练的有机化学家们还

为自己找到了前进的明显标志，而这原先似乎是一个难以穿越的

迷宫。

有关某些特定原子团的行为方式方面的知识，还可用来探索

未知化合物的结构。例如，简单的乙醇与金属钠发生反应时会释

放出氢。但是，释放的仅仅是与氧原子相连的氢，而不是与碳原子

相连的氢。另外，有些有机化合物在适当的条件下会与氢原子结

合，而有些有机化合物则不能。原来，凡能结合氢原子的化合物一

般都具有双键或三键，并以这些键来结合氢原子。由于有了这类

知识，从而产生了一套全新的有机化合物的化学分析方法；这些方

法能够测定原子团的性质，而不仅仅是各类原子的数目和类型。

加入钠而释放出氢，这说明该化合物中存在与氧结合的氢原子；接

收氢则意味着存在双键或三键。如果分子过于复杂，难以进行整

体分析，就用各种不同的方法把它分解成若干较简单的部分，这样

就能分析出各部分的结构，由此再推导出原分子的结构。

以结构式作为手段和指南，化学家们就能够研究出某些有用

的天然有机化合物的结构（分析），然后再在实验室中制造出同样

的或类似的产品（合成）。其中的一个结果是，人们能在实验室中

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大量而廉价地制造出某些自然界中稀有的、昂贵的或难以获得的

产品，或者制造出某些比类似的天然产品能更好地满足需要的产

品，如煤焦油染料。

有一个令人震惊的例子，即人们曾有意识地改变了可卡因的

性质。可卡因是在古柯树（一种原来生长在玻利维亚和秘鲁而现

在主要生长在爪哇的植物）叶子中发现的。同前面提到的马钱子

碱、吗啡和奎宁等化合物一样，可卡因也是一种生物碱，即一种含

氮的植物产物。少量的生物碱即能在生理上对人产生强烈的影

响，视剂量大小，它既可以治病，也可以致人于死命。苏格拉底

①

被毒芹中所含的一种生物碱——毒芹碱——毒死，是历史上生物

碱中毒致死的最著名的例子。

某些生物碱的分子结构是极其复杂的，不过，这正好激发了人

们的好奇心。英国化学家鲁宾森对生物碱进行了系统的研究。他

于

1925年研究出了吗啡的结构（仅有

1个原子未完全确定），于

1946年研究出了马钱子碱的结构。由于人们认识到了他工作的

价值，他获得了

1947年的诺贝尔化学奖。

不过，鲁宾森只是研究出了这些生物碱的结构，而并没有将其

作为指南来合成这些物质。美国化学家

R. B.伍德沃德却考虑到

了这一点。R. B.伍德沃德与他的美国同事多林于

1944年共同完

成了奎宁的合成。珀金一直追求而未得到的这一特定化合物终于

获得了惊人的成果。如果你感兴趣的话，则奎宁的结构式如下：

①古希腊三大哲人中的第一位。公元前

399年他被指控为“腐蚀青年”和“藐视

城邦崇拜的神和从事新奇的宗教活动”而被判处死刑，随后便服毒芹汁液而死。

——译注

第十一章 分 子

第十一章 分 子

OH

CH3

CH CHN CH2

O

CH

C

CH2

C

C

CH

CH2

CH

C

CH

CH

N

CH2 CH CH CH CH2

难怪这个结构会使珀金陷入困境。

R. B.伍德沃德和多林之

所以解决了这个难题，并不仅仅是靠他们的聪明才智，而且还在于

他们熟练地掌握了泡令等人所建立的有关分子的结构和性状的新

电子理论。此后，

R. B. 伍德沃德又陆续合成了各种各样的复杂

分子，例如，他于

1954年合成了马钱子碱。而在此之前，这被认为

是高不可攀的。

然而，早在这些生物碱的结构被发现以前，其中的一些生物碱

（特别是可卡因）业已引起了医生们的浓厚兴趣。人们发现，南美

洲的印第安人咀嚼古柯树叶，原来它能消除疲劳和引起欣快感。

苏格兰医生克里斯蒂森把这种植物引种到了欧洲。（在蒙昧社会

里的巫医和卖药草的妇女看来，这并不是献给医学的惟一礼物。

另外还有上面提到的奎宁和马钱子碱，以及鸦片、洋地黄、箭毒

①、

颠茄碱、羊角拗定和利血平。另外，抽烟、喝酒、嚼槟榔果、吸大麻

和服皮约特

②等，也都是从原始社会遗传下来的。）

可卡因并不仅仅是一种普通的能产生欣快感的药物。医生们

发现，它还能使人体的某一部位暂时失去痛觉。

1884年，美国医

生科勒发现，可卡因可用作镇痛药，在对眼睛施行手术时将它涂在

①南美印第安人从马钱子属植物中提取并用来涂箭头的毒物，现供药用。

②一种从麦斯克尔仙人掌的钮形茎头提取出来的兴奋剂。——译注

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眼睛周围的黏膜上，病人就会没有痛感。可卡因还可用于牙科，使

病人在拔牙时没有痛苦。

这种效果使医生们十分着迷，要知道，

19世纪医学上的伟大

胜利之一正是在镇痛方面所取得的成果。1799年，戴维研制出了

一氧化二氮（N2O）气体，并研究了它的疗效。他发现，这种气体被

吸入人体后，就会释放出抑制物质，使人狂笑、大叫或做出其他一

些愚蠢的举动。因此，它通常又被称为笑气。

19世纪

40年代初期，美国科学家科顿发现，笑气能使人失去

痛觉；1844年，美国牙科医生

H. 韦尔斯将这种气体用于牙科手

术。不过，当时已经有一种更好的药物进入了这一领域。

美国外科医生朗于

1842年曾用乙醚使病人在拔牙时进入睡

眠状态。1846年，美国牙科医生莫顿在马萨诸塞州总医院实施了

一例乙醚麻醉手术。人们往往将这一发现归功于莫顿，因为在莫

顿进行公开表演之前，朗不曾在任何医学杂志上介绍过自己的技

术，至于

H. 韦尔斯最早用笑气所做的公开表演，则仅获得了微不

足道的成功。

美国诗人兼医生霍姆斯建议将具有镇痛作用的化合物称为麻

醉剂（源于希腊语，意思是“无感觉”）。当时的一些人认为，是上帝

要使人类遭受痛苦，使用麻醉剂来逃避这种痛苦则是一种亵渎神

圣的行为。但是，后来人们之所以认为使用麻醉剂是高尚的，是因

为苏格兰医生辛普森在英国维多利亚女王分娩时用它来镇痛。

麻醉剂最终使外科手术不再像屠宰场一样使病人极端痛苦，

至少变得较为人道，如果手术在消毒条件下施行，甚至能挽救病人

的生命。因此，麻醉学的任何进展都引起了医生们的极大关注。

可卡因的特殊意义在于它是一种局部麻醉剂，就是说，它只使人体

的一定部位失去痛觉，而不是像全身麻醉剂乙醚那样，使人完全丧

失意识和感觉。

第十一章 分 子

第十一章 分 子

然而，可卡因也有一些不足之处。首先，它会产生一些不良的

副作用，甚至会使对它过敏的病人丧命。其次，它会使人成瘾，因

此必须少用、慎用。（可卡因是一种危险的毒品，它不仅能消除疼

痛，而且还能消除其他不愉快的感觉，从而给吸毒者以异常欣快的

幻觉。吸毒者会适应这种毒品并不断要求加大剂量。尽管毒品给

身体产生了严重影响，但由于吸毒者如此依赖这种毒品所产生的

幻觉，所以，如不忍受令人痛苦的戒毒症状，就不能戒掉。对可卡

因和其他这类毒品的毒品瘾已成为严重的社会问题。尽管全世界

都在努力禁止毒品的非法交易，但每年非法生产和贩卖的可卡因

高达

20多吨。这给少数人带来了暴利，而使许多人陷入痛苦的深

渊。）第三，可卡因的分子很脆弱，在加热消毒时即能引起分子结构

的变化，而分子的变化则会影响它的麻醉效果。

可卡因分子的结构相当复杂：

O

C O CH3

CH2 CH CH

O

N CH3 CH

OC

CH

C

CH

CH2CH CH2

CH CH

CH

左边的双环是脆弱部位，也是难于合成部位。（直到

1923年，

德国化学家威尔特才设法合成出可卡因。）然而，在化学家们看来，

他们能合成出类似的化合物，其中的双环不是闭合的，这样就能使

这种化合物既易于合成，又比较稳定。这种合成物质可能具有可

卡因的麻醉性能，而且也许没有令人讨厌的副作用。

对于这个问题，德国化学家们研究了约

20年，制造出了几十

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种化合物，其中有些性能良好。最成功的改进是在

1909年取得

的，当时合成出了一种具有下述分子式的化合物：

CH2

O

CH3

CH

N CH2OC

CH3

C

CH

CH2 CH2

CH

C

CH NH2

将这个结构式与可卡因的结构式作一比较，你就可以看出它

们之间的相似之处以及一个重要事实，即双环已不复存在。这种

较简单的分子在自然界中是不存在的，它稳定，易于合成，麻醉效

果良好，而且几乎没有副作用。这是一种远远胜过可卡因的合成

代用品，称为普鲁卡因，而大家更为熟悉的则是它的商品名称“奴

弗卡因”。

在一般的镇痛剂中，最有效、最有名的也许是吗啡。它的这个

名字源于希腊语，意为“睡觉”。吗啡是由鸦片或鸦片酊提纯出来

的，在若干世纪以来，原始人和文明人都用它来消除疼痛和尘世间

劳碌所造成的神经紧张。对于那些被疼痛折磨得死去活来的人

们，吗啡简直是灵丹妙药，但它也具有使人成瘾的致命危险。然

而，寻找代用品的努力却取得了适得其反的结果。

1898年，人们

合成了衍生物二乙酞吗啡即广为人知的海洛因。人们原以为它比

较安全，后来才知道它是最危险的毒品。

危险性较小的镇静剂（安眠药）是水合氯醛和巴比妥，特别是

后者危险性更小。巴比妥类药物

1902年首次使用，现在是安眠片

的最平常的成分。虽然适量服用这类药物无甚危害，但它也会使

人成瘾，过量服用则会引起死亡。实际上，由于死亡是作为逐渐沉

睡的最终结果平静地到来的，所以，过量服用巴比妥类药物就成了

第十一章 分 子

第十一章 分 子

自杀或企图自杀的一种相当常见的方法。

最普通而且也是用得最久的镇静剂，当然要首推酒精了。早

在史前时期，人们就已经知道使果汁和粮食发酵来酿酒的方法。

在中世纪，人们已采用蒸馏方法来酿制比天然生成的产品更加浓

烈的酒。尽管酒精像吗啡一样，肯定会使人成瘾，而且无节制地饮

酒会给身体带来更加严重的危害，但对于伤寒和霍乱病人，淡酒却

是补充水分的一种捷径，而且适量饮酒也为社会所接受，因此，很

难将酒作为毒品予以禁止。用法律来禁止出售酒类看来是行不通

的，美国于

1920～1933年间曾试行过“禁酒法”，结果遭到彻底失

败。尽管如此，酒精中毒越来越被看成是一种疾病，而不仅仅是一

个道德问题。对于那些吃饭甚少但饮酒无度的人来说，酒精中毒

的明显症状（震颤性谵妄）多半不是由酒精本身而是由维生素缺乏

症引起的。

原卟啉

目前，人类已经制造出各种各样具有巨大潜在用途但也可能

被误用的合成制品，如炸药、毒气、灭虫剂、除草剂、防腐剂、去污

剂、医药等，真是不胜枚举。但是，合成技术不仅可以用来弥补消

费者所需物品之不足，而且还能为纯化学研究服务。

常常出现这种情况，即不论是由活组织产生的还是由有机化

学家用设备合成的复杂化合物，即使根据它所经历的化学反应的

性质作出种种推导，也只能得出一个假定的结构式。在这种情况

下，出路就是用所设计的一系列反应（旨在制造出像所推导出来的

结构式那样的分子结构）来合成出一种化合物。如果所产生的化

合物的性质与第一次研究的化合物的性质完全相同，那么，化学家

们就可以信赖原先推导出来的结构式。

在这方面，一个给人留下深刻印象的例子是血红蛋白，它是红

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血球的主要成分，是使血液呈现红色的色素。

1831年，法国化学

家勒卡努将血红蛋白分解成两个部分，其中较小的部分称为血红

素，占血红蛋白质量的

4%。现已发现，血红素的实验式为

C34H32

O4N4Fe。由于像血红素这样的化合物还存在于其他重要的物质

中，即存在于植物界和动物界中，因此，血红素的分子结构对于生

物化学家来说是极其重要的。然而，在勒卡努分离血红素之后的

将近一个世纪内，人们所能做到的只不过是把它分成更小的分子。

铁原子（

Fe）很易分离出来，而剩余部分则分裂为大致相当于原分

子

1/4大小的碎片。这些碎片原来是吡咯。吡咯的分子是由

5个

原子（其中

4个为碳原子，1个为氮原子）构成的环组成的。吡咯

本身的结构如下：

CH CH

CH CH

NH

实际上由血红素获得的吡咯拥有若干个含

1个或

2个碳原子

（连接在环上以取代

1个或多个氢原子）的小型原子团。

20世纪

20年代，德国化学家

H. 费歇尔更深入地研究了这个

问题。既然吡咯的大小约为原血红素的

1/4，于是他就决定设法

将

4个吡咯结合在一起，看看最终会得到什么样的东西。他终于

获得成功，得到一种他称之为卟吩（源于希腊语，意为“紫色”，因为

它是紫色的）的四环化合物。卟吩的结构式是这样的：

第十一章 分 子

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CH

CH CH

C

C

CH

CH

C

NH NC

CH

CH

C N NHC

CH

CH

C

C

CH CH CH

然而，由血红素获得的吡咯原来含有一些与环连接的小侧链。

当吡咯组合成卟吩时，这些侧链仍停留在原来的位置。含有各种

侧链的卟吩组成了一族称之为卟啉的化合物。在血红素中发现的

拥有特殊侧链的那些化合物叫做原卟啉。H. 费歇尔将血红素的

性质与他所合成的卟啉的性质加以比较之后发现，血红素（减去它

的铁原子）就是一种原卟啉。但究竟是哪一种呢？根据

H.费歇

尔的推论，由血红素获得的各种不同的吡咯能结合成不下

15种不

同的原卟啉（每种都具有不同的侧链排列），而其中任何一种都有

可能是血红素。

将这

15种化合物逐一合成出来，并分别检验它们的性质，便

能够得到答案。

H.费歇尔将合成工作交给他的学生们去做，他仔

细选用了一些化学反应，每次只允许合成其中一种具有特定结构

的原卟啉。在这

15种不同的原卟啉合成出来之后，他将它们的性

质与血红素的天然原卟啉的性质进行了对比。

他于

1928年发现，这个系列中编号为Ⅸ的原卟啉正是他要寻

找的那一种。因此，那种天然原卟啉至今仍称为原卟啉Ⅸ。要使

原卟啉Ⅸ添加

1个铁原子转变为血红素是很容易的。化学家们终

于相信，他们已经知道了这种重要化合物的结构。下面就是

H.

费歇尔研究出来的血红素的结构式：

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CH2

CH CH3

CH C

C

CC

C

CH

C

C

CH2

CH3CN N

CH FeCH

C N N CCH3

CH3

C

C

CC

C

C CH

CH2 CH2

CH2 CH2

CO CO

OH OH

由于这项成就，H. 费歇尔获得了

1930年的诺贝尔化学奖。

新方法

在

19世纪和

20世纪前半叶，合成有机化学方面取得的全部

成就无疑是巨大的，但所使用的方法却与古代炼金术士所使用的

方法相同，即将几种物质加以混合并进行加热。加热是使分子增

加活力并发生相互反应的可靠方法，不过，就本质而言，这样的反

应通常是随机的，并会产生一些短暂存在的不稳定的中间产物，而

对于这些中间产物的性质则仅能进行猜测而已。

化学家们所需要的是一种更精细、更直接地使分子具有活力

的方法，即能够使一群分子全都以大致相同的速度、朝大致相同的

第十一章 分 子

第十一章 分 子

。

1964年，德国血统的美国化学家沃尔夫冈借助一种可称为化

学加速器的装置来加速离子和分子，使之达到很高的能量。这种

装置所产生的离子速度若用加热方法来达到，则温度必须高达

1 000℃～100 000℃。另外，这些离子还以相同的方向运动。

如果有电子存在的话，被加速的离子就会抓住这些电子并转

变为中性分子，而且仍以极高的速度行进。美国化学家华顿已于

1969年获得了这样的中性分子束。

至于化学反应的短暂的中间阶段，电子计算机可以解决这个

问题。电子计算机可以解在不同原子组合中决定电子状态的量子

力学方程，还可以计算出在碰撞过程中将会发生的各种事件。例

如，1968年，在意大利血统的美国化学家克莱门蒂的指导下，曾利

用一台计算机使氨与盐酸在闭路电视监视下碰撞以生成氯化铵，

结果，所发生的事件正是计算机计算出来的事件。计算机计算的

结果表明，所形成的氯化铵是温度为

700℃的高压气体。这种情

况以前并不知道，但在几个月后被实验所证实。

近

10年来，化学家们在理论和实验方面都研究出了一些新型

工具。迄今尚未知晓的一些反应的细枝末节将会被弄个水落石

出，许多在过去无法获得的或至多只能少量获得的新产品将会被

合成出来。也许我们正站在一个意想不到的奇境的入口处。

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聚合物与塑料

当我们考虑像血红素和奎宁这样的物质的分子时，其复杂程

度连现代化学家也必须费尽心机才能应付得了。要合成这类化合

物，需要那么多的步骤和方法，如不借助某种活机体，几乎不敢期

望将它们大量地生产出来（化学家除外）。然而，我们也不必因此

而妄自菲薄。就复杂程度而言，即使是活组织本身也已达到了极

限。在自然界，很少有比血红素和奎宁更为复杂的分子。

当然，自然界中存在有由几十万甚至几百万个原子组成的天

然物质，但它们并不是真正的单个分子，也就是说，并不是一个整

体。更确切地说，这些大分子是由许多单元构成的，就像是由一颗

颗珠子串成的项链。活组织往往是首先合成一些小的、相当简单

的化合物，然后仅仅是将这些单元串连成一条条长链。正如我们

将要看到的，这种事情化学家们也能做到。

缩合作用与葡萄糖

在活组织中，小分子的这种结合（缩合作用），通常要在每一个

接合点上完全失去

2个氢原子和

1个氧原子（结合在一起形成

1

个水分子）。这种过程是可逆的（在身体中和在试管中都如此）：加

水可以使链中的各单元脱钩并彼此分开。缩合作用的这种逆过程

称之为水解作用——源于希腊语，意为“通过水而松开”。在试管

中，这些长链的水解过程可用各种不同的方法来加速。最常见的

加速方法是在混合物中加进一定量的酸。

对大分子化学结构的首次研究可追溯到

1812年，那一年，俄

第十一章 分 子

第十一章 分 子

。

1819年，法国化学家布拉孔诺通

过煮沸各种植物产物如木屑、亚麻和树皮——它们都含有一种叫

做纤维素的化合物——也得到了葡萄糖。人们很容易猜想到，无

论是淀粉还是纤维素，都是由葡萄糖单元构成的，至于淀粉和纤维

素的分子结构的细节，则还有待于对葡萄糖的分子结构的进一步

认识。最初，由于结构式尚未出现，人们只知道葡萄糖的经验式是

C6H12O6。这种比例关系表明，6个碳原子中的每一个都连接着

1

个水分子

H2O）。因此，葡萄糖以及结构与之相似的化合物被称为

碳水化合物。

葡萄糖的结构式是德国化学家基利阿尼于

1886年研究出来

的。他证明，葡萄糖分子的

6个碳原子构成一条直链，彼此分离的

氢原子和氢氧根就连接在这个链上。在葡萄糖分子中，任何地方

都没有完整的水分子组合。

在以后大约

10年的时间里，德国化学家

E. 费歇尔对葡萄糖

进行了详细研究，并研究出了碳原子周围的氢氧根的精确排列方

式，其中有

4个氢氧根是不对称的。这些氢氧根有

16种可能的排

列方式，因此有

16种可能的性质不同的旋光异构体。的确，化学

家们已经研制出了所有这

16种异构体，然而只有少数几种真正在

自然界中存在。

下面是葡萄糖和其他两种常见的果糖和半乳糖的结构式：

38H

HO

H

H

H

O CH2

C

C

C

C

CH2

O

HOH

OHH

OHH

OH

OH

H

HO

HO

H

38H

HO

H

H

H

O CH2

C

C

C

C

CH2

O

HOH

OHH

OHH

OH

OH

H

HO

HO

H

CH

C

C

C

C

CH2

OH

H

H

OH

OH

O

葡萄糖果糖半乳糖

这些是能够充分展示分子不对称性的最简单的结构。但实际

上，分子为非平面的环状，每个环由

5个（有时是

4个）碳原子和

1

个氧原子组成。

正是由于对这些糖的旋光性的研究，E. 费歇尔才建议将旋光

化合物分为

L系和

D系两大类。由于为碳水化合物化学奠定了

坚实的基础，他获得了

1902年的诺贝尔化学奖。

化学家们一旦知道了简单糖类的结构，要想知道简单糖类以

何种方式构成更为复杂的化合物就比较容易了。例如，

1个葡萄

糖分子和

1个果糖分子可以缩合成蔗糖——我们餐桌上的食糖。

葡萄糖与半乳糖相结合形成乳糖，在自然界中，乳糖仅存在于乳汁

中。

没有理由认为缩合不能无限制地进行下去。事实上，淀粉和

纤维素的情况就是如此。这两种物质都是由葡萄糖单元按一定图

式缩合而成的长链构成的。

缩合图式的细节是很重要的，因为尽管这两种化合物都由相

同的单元构成，但二者却有着深刻的差异。

这种或那种形态的淀粉构成了人类食物的主要成分，而纤维

素则全然不适于食用。由于化学家们的苦心钻研，终于弄清楚了

第十一章 分 子

第十一章 分 子

缩合图式的差异，它与下面的情况有些类似：假设葡萄糖分子可

以正着看（用

u表示）或倒着看（用

n表示），那么，淀粉分子可以看

成是由葡萄糖分子按

“……uuuuuuuuu……”的图式缩合而成的，而

纤维素则按“……

ununununun……”的图式构成。人体的消化液具

有使淀粉的

uu键合进行水解的能力，使淀粉水解成我们可以吸收

而获得能量的葡萄糖。而同样的消化液却对纤维素的

un键合无能

为力，因此，我们所食用的纤维素都是穿肠而过，最后排出体外。

尽管没有一种高等动物能够消化纤维素，但有些微生物，例如

寄生在反刍动物和白蚁肠道中的微生物，却能做到这一点。多亏

了这些不显眼的助手，使我们受益匪浅的牛才能靠吃草而生存，使

我们狼狈不堪的白蚁靠吃木头而活命。这类微生物能大量地将纤

维素转化为葡萄糖，它们消耗掉自己所需要的一份，而将多余的供

给寄主。这些微生物提供加工过的食物，而寄主则提供原料和住

所。两种生物之间这种互惠的合作方式称之为共生现象（源自希

腊语，意为“共同生活”）。

晶型和非晶型聚合物

哥伦布曾经发现，南美洲土著人所玩的一种球，是用硬化了的

植物汁液做成的。哥伦布以及以后两个世纪里到过南美洲的探险

家们，无不对这些有弹性的球（用巴西的一种树木的汁液做成）感

到惊讶不已。后来，一些样品被当作珍品带回欧洲。大约在

1770

年前后，普里斯特利（在发现氧之前不久）发现，这种弹性物质能够

擦掉铅笔的痕迹，于是给它起了个不起眼的名字—

—擦子

（rubber）。这至今仍是这种物质的英文名字。英国人称它为印度

擦子，因为这种物质来自“印度”（哥伦布发现新大陆时误以为那就

是印度）。这种物质就是橡胶。

后来，人们又发现了橡胶的其他一些用途。

1823年，有个名

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叫麦金托什的苏格兰人在两层布中间夹一层橡胶，然后做成长袍，

以供雨天使用。他的这种防雨衣获得了专利，至今人们有时仍将

雨衣叫做麦金托什。

然而，这样使用橡胶有一个问题，就是它在热天会变得像胶一

样黏，而在冷天则又变得像生皮革一样硬。许多人试图发明对橡

胶进行加工处理的方法，以消除它的这些令人讨厌的特性。其中

有一位名叫古德伊尔的美国人，虽然他对化学一无所知，但他却坚

持研究，一次次试验又一次次失败，仍坚持不懈。

1839年的一天，

他不小心将橡胶和硫磺的混合物撤落在火热的炉子上。他赶忙将

这些混合物从炉子上刮下来，结果他惊奇地发现，加过热的橡胶和

硫磺的混合物尽管还是热的，但却很干燥。他将这些混合物再加

热和冷却，结果发现，它既不因加热而变黏，也不会遇冷而变硬，始

终保持柔软而富有弹性。

现在，在橡胶中加入硫磺的过程叫做硫化（依照罗马火神伍尔

卡努斯的名字取名）。说来令人慨叹，虽然古德伊尔的发现价值连

城，但他本人却从未得到过任何报偿。他毕生为取得专利权而斗

争，到死时仍负债累累。

对橡胶分子结构的认识要追溯到

1879年，那一年，法国化学

家布沙尔达将橡胶在与空气隔绝的条件下加热，结果得到一种叫

做异戊二烯的液体。异戊二烯的分子由

5个碳原子和

8个氢原子

组成，排列方式如下：

CH3

CH2 CCH CH2

另一种植物汁液（胶乳）产自东南亚的一些树木，它能产生一

种叫做固塔坡胶的物质。这种物质缺乏橡胶那样的弹性，但在与

空气隔绝的条件下加热时，也生成异戊二烯。

第十一章 分 子

第十一章 分 子

不论是橡胶还是固塔坡胶，都是由几千个异戊二烯单元构成

的。正如淀粉和纤维素的差别那样，橡胶与固塔坡胶的差别也是

键合图式的不同。在橡胶中，异戊二烯单元按…… uuuuu……图式

连成蜷曲的长链。这种长链在受拉时会伸直，因而橡胶富有伸缩

性。在固塔坡胶中，异戊二烯单元按…… ununununun……图式连

成长链，这种长链一开始就比较直，因此，它的伸缩性要小得多（图

11-3）。

图 11-3由几千个异戊二烯单元构成的固塔坡胶分子的一个部分。

左边的前 5个碳原子（黑色球）与和它们结合的 8个氢原子构成了 1个异戊二烯

单元

简单的糖分子如葡萄糖是单糖（希腊语，意为“一个糖”）；蔗糖

和乳糖是双糖（“两个糖”）；而淀粉和纤维素则是多糖（“许多糖”）。

由于两个异戊二烯分子连接形成一种有名的化合物——萜烯（来

自松节油），所以橡胶和固塔坡胶也叫做聚萜烯。

早在 1830年，贝采利乌斯（化学名称和符号的大发明家）就给

这类化合物取了统一的名称。他将基本单元称为单体（“一份”），

而将大分子称为聚合物（“许多份”）。由许多单元（比如 100个以

上）组成的聚合物称为高聚物。淀粉、纤维素、橡胶和固塔坡胶都

是高聚物的例子。

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聚合物并不是地道的化合物，而是由大小不一的分子组成的

复杂的混合物。测定平均分子量的方法有多种，其中一种方法就

是测量黏度（在给定压力下流体流动的难易程度）。分子越大，拉

伸就越长，对液体内磨擦起的作用就越大，因而，就使这种液体流

动起来更像糖蜜，而不是像水。这种方法是德国化学家施陶丁格

于

1930年研究出来的，是他在聚合物研究方面所取得的成就的一

个部分。由于他在认识这些巨型分子方面所做出的贡献，他获得

了

1953年的诺贝尔化学奖。

1913年，两位日本化学家发现，天然纤维，如纤维素的纤维，

能像晶体那样使

X射线发生衍射。从一般意义上讲，这些纤维并

不是晶体，但却显示出微晶质特征，也就是说，构成纤维分子的单

元所连成的长链，往往是一束束地、距离不等地平行排列。在这些

平行链束中，原子像在晶体中那样，按顺序重复排列。当

X射线

投射到纤维的这些断面时，就发生了衍射。

于是，聚合物就被分为两大类：晶型和非晶型聚合物。

在像纤维素这样的晶型聚合物中，由于彼此平行的相邻的长

链是以化学键连接在一起的，结果单链的强度得到增强，从而使纤

维素具有相当大的抗拉强度。淀粉也是晶型聚合物，但结晶状况

远不如纤维素，因此，缺乏纤维素的强度，也缺乏成形纤维的能力。

橡胶是一种非晶型聚合物。由于各单链并不平行排列，因而

不存在交联现象。如果受热，各长链既能彼此独立地振动，又能在

其他长链之间自由滑动。因此，随着温度的升高，橡胶或橡胶类聚

合物会变得又软又黏，以至最终熔化。（拉伸会使橡胶的长链伸

直，从而引进某些微晶质特征。因此，拉长了的橡胶具有相当大的

抗拉强度。）至于纤维素和淀粉，由于其中的各个分子在这里或那

里以化学键相连，因此它们不能像橡胶分子那样独立地振动，所以

在受热时不会变软。在温度升高到足以使分子产生振动并将分子

第十一章 分 子

第十一章 分 子

彼此振开之前，它们一直保持僵硬状态，直至烧焦和冒烟。

当温度低于使之变黏的温度时，非晶型聚合物往往是柔软而

富有弹性的。然而，在更低的温度下，这些聚合物就会变得像皮革

一样硬，甚至像玻璃那样脆。生橡胶仅在相当窄的温度范围内才

是干燥和富有弹性的。加入

5%～8%的硫磺，会在链与链之间形

成柔韧的硫键，这些硫键能降低各长链的独立性，从而防止了橡胶

在中等温度下变黏。在不太低的温度下，硫键还能增加各链之间

的自由活动范围，因此橡胶不会变硬。如果加进更多的硫，比如

30%～50%，就会使链与链之间键合得很紧密，致使橡胶变硬。这

样的橡胶称为硬橡胶。

（如果温度足够低的话，即使是硫化橡胶也会变得像玻璃那样

脆。一个普通的橡胶球，若是在液态空气中浸泡片刻之后再掷向

墙壁，也会碰得粉碎。这是在上化学课时最爱演示的实验之一。）

在一定的温度下，各种非晶型聚合物表现出不同的物理性质。

在室温条件下，天然橡胶具有弹性，各种树脂是硬而脆，而糖胶树

胶（产自南美洲的人心果树，是口香糖的主要成分）则软而黏。

纤维素和炸药

除了我们的食物——它们主要由高聚物所构成——之外，人

类使用最久的一种聚合物恐怕就是纤维素了。纤维素是木头的主

要成分，作为燃料和建筑材料，它们一向是必不可少的。纤维素还

用来造纸。以纯纤维素形式存在的纤维素棉花和亚麻，一直是人

类最重要的纺织原料。因此，

19世纪中叶的化学家们自然要转向

纤维素，用它作为制造其他巨型分子的原料。

改造纤维素的方法之一是将硝酸根（1个氮原子和

3个氧原

子）与葡萄糖中的氢氧根（羟基）连接。这样做了之后，再用硝酸和

硫酸的混合物来处理纤维素，于是就制造出了一种在当时来说是

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无与伦比的烈性炸药。这种炸药是德国出生的瑞士化学家舍恩拜

因（他曾于

1839年发现臭氧）于

1846年偶然发现的。据说，有一

天，他在厨房里（他被禁止在那里做实验，但他常趁妻子不在家时

在那里做实验）弄洒了一种酸的混合物，他赶忙抓起他妻子的棉布

围裙去擦污迹，当他将围裙挂在火炉上方烘烤时，围裙便“扑”地一

声着了起来，烧得一点不剩。

舍恩拜因立即意识到了这种化合物的潜力，这可从他给这种

化合物起的名字——火药棉——上看出来。（这种化合物还叫做

硝化纤维素。）舍恩拜因向好几个国家的政府兜售他的这个秘方。

普通火药在点然时会产生浓烟，熏黑炮手，弄脏大炮，因而发射几

次后就需要清扫一次。另外，在发射第一排炮弹之后，阵地上便升

起滚滚浓烟，致使战斗不得不在盲目的估计下进行。因此，各国的

军事部门都争相采用这种威力更大而又无黑烟的炸药。于是，制

造火药棉的工厂雨后春笋般地建立了起来。然而，这些工厂几乎

就像它们兴建时的速度那样，很快就被炸掉了。火药棉太容易爆

炸了，往往等不到大炮发射。到了

19世纪

60年代初期，的

“走火”

火药棉的隆隆声终于沉寂下来，不论是从数字还是从文字上看，情

况都确实如此。

然而，后来找到了一些方法，能够清除掉使火药棉走火的少量

杂质。这样，火药棉的制造和使用就变得足够安全了。1889年，

英国化学家迪尤尔（他以使气体液化而闻名于世）和他的合作者阿

贝耳引进了一项技术，即将火药棉与硝化甘油混合，然后再在这种

混合物中加入凡士林，最后将其压制成线状（这种混合物就叫做无

烟线状火药）。这种火药棉最后终于成为一种有用的无烟火药。

1898年西班牙与美国之间的那场战争就是用普通火药来打仗的

最后一场战争。

［机器时代也为令人战栗的射击技术尽了一份力量。19世纪

第十一章 分 子

第十一章 分 子

60年代，美国发明家加特林制造出了第一支能够迅速连发子弹的

连发枪；19世纪

80年代，美国另一位发明家马克沁对这种枪进行

了改进。加特林连发枪俗称左轮。这种枪和它的改进型马克沁机

枪使得

19世纪晚期的厚颜无耻的帝国主义者对于非洲和亚洲的

那些“劣等种族”（吉卜林

①的带有侮辱性的话）具有空前的优势。

正如当时流行的一句歪诗所说，“不管发生什么情况，我们有马克

沁机枪，而他们都没有。”］

这方面的“进步”在

20世纪仍在继续。第一次世界大战期间，

最重要的炸药是三硝基甲苯，即人们所熟悉的缩写

TNT。第二

次世界大战期间，威力更大的旋风炸药（三次甲基三硝基胺）投

入使用。这两种炸药都含有硝基，而不含硝酸根。不过，对于战争

贩子来说，任何化学炸药都比不上

1945年的原子弹（见第十章）。

顺便提一下，硝化甘油与火药棉是在同一年发现的。那一年，

一位名字叫索伯雷罗的意大利化学家用硝酸和硫酸的混合物来处

理甘油，当他意识到发现了什么的时候，险些被随之而来的爆炸要

了命。索伯雷罗没有舍恩拜因那种由发明而产生的冲动，他觉得

硝化甘油过分危险，不好对付，于是就将这一发现搁置起来，未予

公布。此后不到

10年，一个姓诺贝尔的瑞典家族开始以“爆炸油”

的名称生产这种产品，并把它用于采砂和建筑工程。经历了一连

串事故（其中一次还夺去了这个家族的一个成员的性命）之后，死

者的兄弟

A. 诺贝尔发现了一种方法，即在硝化甘油中掺入一种

叫做硅藻土（主要由一种叫做硅藻的单细胞生物的遗骸构成）的吸

附剂。这种混合物由

3份硝化甘油和

1份硅藻土组成，由于后者

具有吸附能力，这种混合物实际上是干燥的粉末。一筒掺有硝化

甘油的硅藻土（达那炸药）即使受到磕碰、锤击乃至火烧也不会爆

① R.吉卜林（

1865一

1936），英国小说家，

1907年诺贝尔文学奖获得者。

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炸。但是，如果引发雷管（在远处用电流）使达那炸药爆炸，那么，

这就会显示出与纯硝化甘油完全相同的爆破力。

雷管装有极易爆炸的炸药，在受热或受到机械撞击时就会爆

炸，因此称之为起爆管。雷管爆炸所产生的强烈振动能引起不易

爆炸的达那炸药爆炸。这样看来，危险似乎只不过是从硝化甘油

转移到了起爆管。不过，事情并不像听起来那么糟糕，因为起爆管

用量很少，而且最常用的起爆药是雷酸汞（HgC2N2O2）和叠氮化铅

（PbN6）。

一筒筒的达那炸药终于能够使美国西部地区以空前的速度铺

设铁路、修建公路、开发矿山和修筑堤坝。诺贝尔（他发觉，同他的

人道主义愿望相反，他被看成是“贩卖死亡的商人”）所发明的达那

炸药和其他炸药使他成为一个离群索居、不受欢迎的百万富翁。

他在

1896年逝世时留下一笔基金，以其利息作为著名的诺贝尔奖

的奖金。这种奖分物理、化学、医学与生理学、文学及和平事业五

个领域，每年颁发一次。获奖者除赢得崇高荣誉以外，还被授予约

4万美元的奖金（自设奖以来这个金额一直在不断增加）。第一次

颁奖是

1901年

12月

10日，即诺贝尔逝世

5周年纪念日。现在，

诺贝尔奖已成为一个科学家所能获得的最高荣誉。

考虑到人类社会的性质，一些大科学家们仍将花费相当大的

精力来继续研究炸药。由于几乎所有炸药都含氮，因此氮元素及

其化合物的物质组成及化学性质对于炸药研究是至关重要的。

（必须承认，对于生命也极为重要。）

对化学理论而不是对炸药感兴趣的德国化学家奥斯特瓦尔德

研究了化学反应的速度。他将与物理学有关的数学原理应用于化

学，从而成为物理化学的奠基人之一。在上世纪末与本世纪初，他

研究出一种将氨（NH3）转变为氧化氮（

NO）的方法，后者可以用来

制造炸药。由于奥斯特瓦尔德在化学理论特别是在催化剂方面的

第十一章 分 子

第十一章 分 子

研究成果，他获得了

1909年的诺贝尔化学奖。

在

20世纪的头几十年，可供利用的氮主要来自智利北部地区

沙漠中的硝石矿。在第一次世界大战期间，由于英国海军的封锁，

德国无法得到这些矿区的硝石。然而，德国化学家哈伯研究出了

一种方法，能够使空气中的分子氮在高压下与氢结合，形成奥斯特

瓦尔德法所需要的氮。稍后，德国化学家博施——他在第一次世

界大战期间曾负责监造氮制造厂——对哈伯法进行了改进。哈伯

获得了

1918年的诺贝尔化学奖，而博施则与别人分享了

1931年

的诺贝尔化学奖。到了

20世纪

60年代末，仅美国每年用哈伯法

生产的氨就有

1 200万吨之多。

塑料和赛璐珞

现在让我们重新回到改造纤维素的问题上来。显然，正是由

于添加了硝酸根才使纤维素具有爆炸性。在火药棉中，所有可供

取代的羟基都被硝化了。如果只有部分羟基被硝化，那情况又会

怎样呢？它们的爆炸性是否会小一些？事实上，这种部分硝化纤

维素证明根本没有爆炸性。不过，这种物质的确很容易燃烧；后

来，这种物质被命名为焦木素（源于希腊语，意为“柴火”）。

正如法国学者梅纳尔和美国医科大学学生梅纳德（他俩的姓

氏十分相似）所分别独立发现的那样，焦木素能溶解于乙醇和乙醚

的混合物。当乙醇和乙醚蒸发之后，剩下来的焦木棉是一种坚韧

的透明薄膜，叫做胶棉。胶棉最初被用来包扎轻微的刀伤或擦伤，

所以将它叫做新皮。然而，胶棉的奇迹只不过刚刚开始，更多的奇

迹还在后面。

大块的胶棉本身很脆。不过英国化学家帕克斯发现，如果将

它溶解于乙醇和乙醚的混合物中，然后再与像樟脑这样的一种物

质混合，当溶剂蒸发之后，剩下的坚硬的固体物质受热后会变得柔

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软而富有韧性。这样，它就可以模塑成所需要的各种形状，而且在

冷却和变硬之后仍保持原状。于是，就在

1865年这一年，硝化纤

维素就转变成首批人造塑料。而使原来很脆的物质具有可塑性的

樟脑就成了第一种增塑剂。

使塑料从化学珍品一跃而成为公众所关注的对象，是塑料被

引进到台球室这一戏剧性的事件。以前，台球是用象牙做的，而象

牙只能从死了的大象身上得到，这自然就产生了问题。

19世纪

60

年代初，有人出

10 000美元奖金来征求象牙的最好代用品，这种

代用品必须满足对台球的种种要求，如硬度、弹性、抗热、防潮和没

有纹理等。许多人跃跃欲试，美国发明家海厄特便是其中之一。

开始他的工作毫无进展，直到后来他听说帕克斯有一种妙法能使

焦木素变成可塑性物质，然后又变为坚硬的固体，他的工作才有了

转机。海厄特着手改进生产这种物质的方法，即少用价格昂贵的

乙醇和乙醚，而同时提高温度和压力。到了

1869年，海厄特用这

种他称之为赛璐珞的物质制造出了廉价的台球，从而赢得了这笔

奖金。

后来才知道，赛璐珞的用途是多种多样的，远远超出了台球桌

的范围。它能够在水的沸点温度下模塑成形；它可以在较低的温

度下被切割、钻孔或锯开；它可以是坚硬的团块，也可以制成柔软

的薄片（可以用来做衬衫领子、儿童玩具等）。更薄和更韧的薄片

可以用作胶状银化合物的片基，这样它就成了第一种实用的照相

底片。

赛璐珞有一个缺点，即由于它含有硝酸根，所以非常容易着

火，而且燃烧起来异常迅速，特别是做成薄片状时，更是如此。在

过去，赛璐珞是引起一系列火灾的原因。

如果用醋酸根代替硝酸根，则会使纤维素变成另一种叫做醋

酸纤维素的物质。经适当的塑化处理后，这种物质的性能就能与

第十一章 分 子

第十一章 分 子

赛璐珞一样或几乎一样好，此外，它还有不易着火的优点。醋酸纤

维素在第一次世界大战前夕投入使用，战后，在底片和其他许多物

品的制造方面，完全取代了赛璐珞。

高聚物

赛璐珞问世还不到半个世纪，化学家们便摆脱了必须用赛璐

珞作为塑料的基本原料的束缚。早在

1872年，拜耳（他后来合成

出靛蓝）就发现，当酚和乙醛一起加热时，会得到一种黏稠的树胶

状物质。由于他只对由反应分离出来的小分子感兴趣，结果便忽

略了留在长颈瓶底部的这种渣滓（

19世纪的有机化学家们对于沾

污玻璃器皿的渣滓一般都是这种态度）。37年后，在比利时出生

的美国化学家贝克兰用甲醛进行了实验，发现在一定的条件下，这

种反应会生成一种树脂，而且，如果在压力下继续加热，这种树脂

首先变成柔软的固体，继而又变成坚硬而不可溶解的物质。这种

树脂在柔软时可进行模塑，而且在变硬后，模塑的形状就永久地保

留下来。当树脂变硬后将其研成粉末，装入模子，再通过加热加压

可以使之合为一体。利用这种方法，即使是非常复杂的形状，也可

以既便当又迅速地压制出来。此外，这种产品一般不受周围环境

的影响。

贝克兰用自己的姓氏命名他自己的产品，即命名为贝克兰树

脂（酚醛塑料）。酚醛塑料属于热固性塑料，这种塑料一旦冷却定

形之后，就不能再通过加热使之变软（当然，猛烈加热会使之毁

坏）。另有一些塑料，如纤维素衍生物，则能反复软化，这种塑料称

之为热塑性塑料。酚醛塑料有多种用途，如用作绝缘体、胶黏剂和

层压剂等等。尽管这种塑料是古老的热固性塑料，但至今仍然是

用途最为广泛。

酚醛塑料是在实验室中由小分子制成的第一种有用的高聚

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物。化学家们首次圆满地完成了这项特殊任务。当然，这不是血

红素和奎宁意义上的合成，因为要合成这两种物质，化学家们必须

将排在最后的每一个原子安放在适当的位置，而且几乎是每次只

安放

1个。制造高聚物则仅要求将构成高聚物的小单元在适当的

条件下混合在一起，然后设计一个能够使这些单元自动形成长链

的反应就行了，而无须化学家们加以特殊的照料。然而，化学家们

能够运用各种方法间接地改变长链的性质，如变换原料的成分或

比例，添加少量的酸、碱或各种能够作为催化剂并能控制反应的具

体性质的物质。

由于成功地制成了酚醛塑料，化学家们自然要转向其他可能

的原料，以寻求更多的可以成为有用塑料的合成高聚物。随着时

间的推移，他们获得了许多成功。

例如，英国化学家们在本世纪

30年代发现，在高温高压条件

下，乙烯气体（

CH2=CH2）能够形成很长的链。碳原子之间的双键

中有

1个键打开并与相邻的分子连接。这个过程一次又一次地重

复进行，结果就产生了一种叫做聚乙烯的长链分子。

石蜡分子也是由乙烯单元构成的一种长链，但聚乙烯分子的

链甚至更长。因此，聚乙烯像石蜡，但并不仅仅如此而已。聚乙烯

具有石蜡那样的暗白色，有滑腻感、电绝缘性和防水性，比重较小

（它大概是能够在水上漂浮的惟一的一种塑料）。而且，在最佳状

态下，它比石蜡更坚韧、更柔软。

最初，制造聚乙烯需要具有很大危险性的高压，而且产品的熔

点相当低——仅稍高于水的沸点。在低于这个熔点的温度下，它

就开始变软，成为毫无用处的东西。显然，这是由于碳链具有分

支，从而使分子不能形成密集结晶点阵的缘故。

1953年，一位名

叫齐格勒的德国化学家发现了一种能生产无分支聚乙烯链的方

法，而且这种方法无须使用高压。这种新型聚乙烯比原先的聚乙

第十一章 分 子

第十一章 分 子

在听说齐格勒为聚合物的形成研究出一种金属有机催化剂之

后，意大利化学家纳塔开始将这一技术应用于丙烯（连结有

1个小

的一碳甲基

CH3的乙烯）。他在

10个星期之内就发现了这样的情

况，即在所获得的聚合物中，所有甲基都朝着同一方向，而不是随

意地朝向一方或另一方（在此之前形成的聚合物大都如此）。这种

等规聚合物（纳塔的妻子给起的名字）证明具有优良的性能，而且

现在已能够随意制取了。换句话说，化学家们已经能够比以往任

何时候都更加精确地设计高聚物了。由于齐格勒和纳塔在这一领

域所做出的成就，他们分享了

1963年的诺贝尔化学奖。

原子弹工程提供了另一种有用的高聚物，它是聚乙烯的另一

个新属。为了从天然铀中分离出铀

-235，核物理学家们不得不将

天然铀与氟结合来生成六氟化铀。氟是所有物质中最活泼的元

素，几乎能腐蚀所有物质。在为装氟的容器寻找能不受氟腐蚀的

润滑剂和密封剂的过程中，物理学家们选中了碳氟化合物——碳

已经与氟（取代氢）结合的物质。

直到那时，碳氟化合物仍然是实验室中的珍品。直到

1926

年，人们才获得了纯净的四氟化碳（CF4）——这类分子中的第一

种（也是最简单的一种）分子。目前，化学家们仍在努力研究这些

有意义的物质的化学性质。在已经研究过的碳氟化合物中，其中

之一是

1933年首次合成的四氟乙烯（CF2=CF2），可以看出，它实

际上是

4个氢原子被

4个氟原子所取代的乙烯。这就必然会使人

们想到，四氟乙烯也应像乙烯那样，能形成聚合物。第二次世界大

战之后，杜邦公司的化学家们制造出了一种长链聚合物，正如聚乙

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烯是

CH2CH2CH2……的单调地重复一样，这种聚合物也是

CF2CF2CF2……的单调地重复。这种聚合物的商品名称是特

氟隆。

特氟隆与聚乙烯相似，但并不仅此而已。碳

-氟键比碳-氢键

更牢固，因而也就更不易受环境的影响。特氟隆不溶于任何物质，

不会被任何物质所弄湿，是优良的电绝缘体，其耐热性甚至比新型

的、经过改进的聚乙烯还要好。就家庭主妇而言，特氟隆最为人所

熟知的用途便是用作煎锅的衬里，这样就能使要煎炸的食物不会

过分油腻，因为食物不会粘在不同任何物质亲和的碳氟聚合物上。

还有一种有趣的化合物，它并不是真正的碳氟化合物，而是本

书前面提到的氟里昂（

CF2Cl2）。它是

1932年作为致冷剂所推销

的商品。它比大型制冷装置所使用的氨或二氧化硫要昂贵；但从

另一方面看，氟里昂无臭、无毒、不可燃，因而偶然漏失所造成的危

险是很小的。为了证明氟里昂的无害性，它的发现者米奇利深深

地吸了一口氟里昂，然后在一根点燃的蜡烛上方缓缓吐出，结果蜡

烛熄灭了，而米奇利毫无损害。正是由于采用了氟里昂，室内空调

才成了第二次世界大战以来美国这个地方的一大特色。

玻璃和硅酮

当然，可塑性并不仅仅属于有机界。在所有可塑性物质中，最

为古老的是玻璃。玻璃的大分子实质上是由硅和氧的原子所组成

的长链：-Si-O-Si-O-Si-O-Si-，以此排列，没有穷尽。链中的每一个

硅原子都有两个尚未使用的价键，可以用来连接其他原子团。硅

原子像碳原子一样，具有

4个价键。然而，硅

-硅键不如碳-碳键那

样牢固，因此只能形成短链，而且这些短链（在化合物中称为硅烷）

很不稳定。不过，硅-氧键却很牢固，由此形成的链甚至比由碳

-碳

键形成的链还要稳定。事实上，由于地壳有半数是氧，

1/4是硅，我

第十一章 分 子

第十一章 分 子

们脚下那坚实的大地实质上可以看作是由硅-氧链组成的。

尽管玻璃的优点和用途不胜枚举，但它有一个很大的缺点，

就是容易破碎。玻璃被打碎时坚硬而锐利的碎片会四处飞散，十

分危险，甚至能致人于死命。如果用未经处理的玻璃做汽车的风

挡，一旦发生撞车事故，玻璃的碎片就会像榴霰弹一样飞向四面

八方。

然而，玻璃也可加工处理，如在两层玻璃中间加一薄层透明的

聚合物（作为一种胶黏剂加固玻璃），于是就产生了安全玻璃。之

所以称为安全玻璃，是因为它即使碎成粉末，碎片也会被聚合物牢

牢地黏住，不会飞散伤人。起初

（这要追溯到

1905年），人们就曾

用火棉胶作黏结剂，但如今大部分都已用由小分子如氯乙烯（氯乙

烯与乙烯类似，所不同的是乙烯分子中的

1个氢原子被氯原子所

取代）所构成的聚合物代替。乙烯基树脂不会因光照而变色，因此

能够确保安全玻璃不致因年深日久而发黄。

有些透明塑料可以安全代替玻璃，至少在某些应用领域是如

此。本世纪

30年代中期，杜邦公司合成了一种叫做甲基丙烯酸甲

脂的小分子，并将所得到的聚合物（聚丙烯酸塑料）压制成光亮、透

明的薄片。这些产品的商品名称叫做普列克斯玻璃和路塞特树

脂。这类有机玻璃比普通玻璃轻，更易模塑成形，也不那么脆；破

碎时，仅仅是破裂而不是粉碎。在第二次世界大战期间，模塑成的

透明塑料薄片得到了重要的应用，那就是作为飞机的窗户和座舱

的罩。在这方面，轻质和韧性具有特殊的价值。当然，聚丙烯酸塑

料也有其缺点：它们能被有机溶剂腐蚀，受热时比玻璃更易软化，

而且容易出现擦痕。例如，当聚丙烯酸塑料用作汽车风挡时，在尘

埃颗粒的撞击下会很快出现擦痕，而且变得模糊不清，而这是非常

危险的。因此，看来玻璃永远不会被完全取代。事实上，现在玻璃

确实已具有许多新的用途。玻璃纤维可以纺成细线，它像有机纤

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维一样柔软，并且有一个可贵的优点——绝对不会着火。

除这些玻璃代用品外，还有一种可称之为“类玻璃”的产品。

我在前面说过，在硅-氧链中，每个硅原子都有两个空闲的键来连

接其他原子。在玻璃中，这些“其他原子”是氧原子，但并不一定非

是氧原子不可。如果所连接的不是氧原子，而是含碳的原子团，那

情况又会怎样呢？这时你会得到一种带有有机分支的无机物链，

也就是说，得到一种介于有机物与无机物之间的中间物。早在

1908年，英国化学家基平就合成了这样的化合物，即大家都知道

的硅酮。

在第二次世界大战期间，各种长链的硅酮树脂大量涌现。这

些硅酮的耐热性要优于纯有机聚合物。通过改变主链的长度和侧

链的性质，可以获得玻璃所不具有的一系列理想的性能。例如，某

些硅酮在室温条件下是流体，其黏度在相当大的温度范围内变化

极小，也就是说，它们既不随温度的升高而变稀，也不随温度的降

低而变稠。对于液压流体——如用于飞机起落架的那种流体——

来说，这是一种特别有用的性能。另一些硅酮可以制成柔软的、与

油灰类似的封泥，这种灰泥在同温层的低温下既不变硬，也不开

裂，而且防水性能良好。还有一些硅酮可作为抗酸润滑剂，等等。

合成纤维

在有机合成的故事中，有关合成纤维的章节具有特殊的趣味。

第一批人造纤维（同第一批塑料一样）是以纤维素为原料制成的。

化学家们自然是从硝化纤维素开始，因为它有足够的数量可以利

用。1884年，法国化学家夏尔多内将硝化纤维素溶解于乙醇和乙

第十一章 分 子

第十一章 分 子

醚的混合物中，并迫使所得到的黏稠液体通过一些小孔喷出。在

这种液体喷出之后，乙醇和乙醚随之蒸发，于是便剩下胶棉细线似

的硝化纤维素。（这实际上就是蜘蛛织网和春蚕吐丝的那种方式：

它们从身体上的小孔中喷吐出一种粘液，这种黏液遇空气而变成

固态纤维。）这种硝化纤维素纤维太容易着火，不宜使用。不过，通

过适当的化学处理能够去掉硝酸根，结果便得到了一种外观像蚕

丝一样的带有光泽的纤维素细丝。

然而，夏尔多内的方法并不实用。且不说有硝酸根存在的中

间阶段非常危险，也不说用作溶剂的乙醇和乙醚的混合物极易着

火，单是将硝酸根加上去又去掉这一点，这种方法就十分费钱。

1892年，人们发现了一些溶解纤维素的方法。例如，英国化学家

克罗斯将纤维素溶解于二硫化碳，并将所得到的黏稠液体（叫做黏

胶）做成细丝。麻烦的是，二硫化碳易燃、有毒且气味难闻。

1903

年，一种有竞争力的方法投入使用。这种方法以醋酸作为溶剂的

一部分，生产出一种叫做醋酸纤维素的物质。

这些人造纤维被称为人造丝。人造丝主要有两个品种，通常

分为黏胶人造丝和醋酸人造丝。

顺便提一下，如果将黏胶通过一条狭缝挤压出去，就会得到一

种柔软、透明和防水的薄膜——玻璃纸。这种方法是法国化学家

布兰登伯热于

1908年发明的。一些合成的聚合物同样也能够通

过一条狭缝挤压成薄膜。例如，乙烯基树脂能制成名为萨纶的覆

盖物。

直到本世纪

30年代，才出现第一批完全合成的纤维。

让我先讲一点有关蚕丝的故事。蚕丝是由蚕蛾的幼虫——

蚕——所吐的丝。蚕对食物要求极严，而且需要精心照料。蚕丝

必须从蚕茧上小心地抽取下来。由于这些缘故，蚕丝十分昂贵，而

且不能大量生产。早在两千多年前，中国便开始生产蚕丝，而且中

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国人对生产蚕丝的方法严加保密，以便在出口中保持有利的垄断

地位。然而，秘密终有泄漏之日，尽管采取了种种保密措施，养蚕

缫丝的秘密还是流传到了朝鲜、日本和印度。古罗马是通过横贯

亚洲的漫长的陆路输入蚕丝的，由于经纪人一路上步步设卡抽取

通行税，所以蚕丝到那里后非常昂贵，除了豪门巨富，一般人是可

望而不可及的。550年，蚕子被偷偷地带进君士坦丁堡，从此欧洲

便开始了蚕丝生产。尽管如此，蚕丝在不同程度上仍然属于奢侈

品。另外，直到目前为止，蚕丝仍然没有好的代用品。人造丝固然

具有与蚕丝相似的光泽，但却不及蚕丝纤细、柔韧。

蚕丝是一种蛋白质（见第十二章）。蛋白质的分子是由一种叫

氨基酸的单体构成的，而氨基酸则含有

1个氨基和一个羧基。氨

基与羧基通过二者之间的

1个碳原子相连接；如果以

a表示氨基，

以

c表示羧基，再用短线表示中间的碳原子，我们就可以把氨基酸

写作：

a—c。这些氨基酸以从头至尾的方式聚合起来，也就是说，

前面的

1个氨基同后面的

1个羧基缩合，这样便成了蚕丝分子：

……a—c、a—c、a—c……

本世纪

30年代，杜邦公司的化学家卡罗瑟斯对一些含有氨基

和羧基的分子进行了研究，希望借此找到一种较好的方法，将它们

缩合成具有大环结构的分子。（这类分子对于香料制造业是很重

要的。）与他的愿望相反，他发现这些分子缩合成了长链分子。

卡罗瑟斯早已预料到可能会出现长链分子，因此没有错过这

一机会。他立即对此作了进一步的研究，最后用己二酸和己撑二

胺制成了纤维。己二酸分子含有两个羧基，中间被

4个碳原子隔

开，因此可以用

c————c表示。己撑二胺由两个氨基构成，

中间被

6个碳原子隔开，因此可写为：

a —————— a。当卡

罗瑟斯将这两种物质混在一起时，它们就缩合成具有下列结构的

聚合物：……

a —————— a. c ———— c. a —————

第十一章 分 子

第十一章 分 子

— a.c ———— c. a —————— a……可以看出，用点标出

的缩合部位具有与蚕丝相同的构型“c.a”。

最初生产的纤维并不是很好，主要是强度太差。卡罗瑟斯断

定，问题就出在缩合过程中所生成的水上。水的存在产生了一个

相反的作用——水解反应，它使聚合反应不能持续很久。卡罗瑟

斯找到了一种补救办法，即让聚合反应在低压下进行，这样水就会

蒸发并很容易被清除掉（在邻近反应液体上方斜放一块冷却的玻

璃板，水蒸气就会凝结在上面并自行流走，这种装置叫做分子蒸馏

器）。这样，聚合反应就能不断地进行下去，并形成很长的直链。

1935年，卡罗瑟斯终于为合成理想的纤维奠定了基础。

将由己二酸和己撑二胺缩合而成的聚合物熔化，再通过许多

小孔挤压出来，然后再经过拉伸，使纤维平行地排列起来，并成为

晶束似的纤维束。这样就得到了一种与蚕丝相似的带有光泽的细

丝，它可以织成像丝绸一样轻柔美观、甚至比丝绸还要结实的织

品。用这种方法生产的第一批完全合成的纤维叫做尼龙。然而，

卡罗瑟斯未能看到他的发现所结出的硕果，他于

1937年就去世

了。

杜邦公司于

1938年宣布合成纤维问世，并于

1939年开始进

行商业性生产。在第二次世界大战期间，美国陆军部队收购了全

部尼龙产品，用以制造降落伞和百余种其他军需品。战后，尼龙在

制袜业上完全取代了蚕丝，因此，妇女的长袜现在叫做尼龙袜。

尼龙的合成为许多其他合成纤维的生产开辟了道路。丙烯

睛，或称为乙烯基氰化物（

CH2=CHCN），也可以聚合成与聚乙烯

类似的长链，所不同的是，与每个单元中第二个碳原子相连的是氰

基（在这里它是完全无毒的）。这种产品叫做奥纶，1950年投入使

用。如果再添加上氯乙烯，则最终的长链既含有氯原子，又含有氰

基，这就是氯丙纶（达耐尔）。如果通过使用醋酸乙烯（

CH2=

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CHOOCCH3）来添加醋酸根，则产品就是醋丙纶（阿克利纶）。

英国于

1941年制造出了聚酯纤维。这种纤维是由一个单体

的羟基同另一个单体的羟基缩合而成的长链。这种产物就是通常

的那种由碳原子构成的长链，只是每隔一定的距离插入

1个氧原

子。这种产品在英国叫做涤纶，在美国则叫做大可纶。

这些新型合成纤维的防水性能比大多数天然纤维好，而且不

怕潮湿，不易沾污，不遭虫蛀。某些合成纤维不会起皱，可用来纺

织成“耐洗耐磨”的织品。

合成橡胶

如果有人告诉你，人类使用橡胶轮子的历史不过一百来年，你

会感到非常吃惊。在过去的几千年间，人们所坐的车使用的一直

是木制轮子，或者再在轮子周围加上金属轮辋。在古德伊尔发明

了实用的硫化橡胶之后，许多人都曾想到，应该用橡胶代替金属来

包裹车轮。1845年，英国工程师

R. W.汤姆森出了个好主意，他

在车轮周围套上一个合适的充气橡胶管，并获得了这项设备的专

利。到了

1890年，轮胎被正式用在自行车上；到了

1895年，被用

在各种老式汽车上。

令人惊奇的是，尽管橡胶是一种柔软而易破损的物质，但却比

木头或金属更加耐磨。橡胶的耐用、减震等性能，加上充气轮胎的

巧妙设计，使乘车的人觉得比以往任何时候都更加舒适。

随着汽车数量的大量增加，用于制造轮胎的橡胶的需求量也

变成了天文数字。在最近的半个世纪内，全世界的橡胶产量增长

了

42倍。只要我告诉你这样一个事实，你就可想象今天用于制造

第十一章 分 子

第十一章 分 子

轮胎的橡胶的数量：仅在美国，每年在公路上磨损掉的橡胶就不下

20万吨，尽管每辆汽车磨损掉的橡胶的数量是相当少的。

橡胶需求量的不断增加，给许多国家的战略物资的储备带来

了一定程度的危机。随着战争的机械化，军队和军需物资都开始

用装有橡胶轮胎的车辆来运输。然而，那些最有可能参加“文明”

战争的“文明”国家，却又都远离惟一能够大量供应橡胶的马来半

岛（马来半岛并不是橡胶的原产地，这里的橡胶树是从巴西移植来

的，但却生长得非常好，而原产地巴西的橡胶产量却逐年下降）。

美国的橡胶供应在它开始参加第二次世界大战的初期便被切断，

那时日本已经侵占了马来西亚。但美国在这方面早有戒备，因此，

甚至在日本偷袭珍珠港之前，战时实行的第一种定量配给物资就

是橡胶轮胎。

甚至在机械化刚刚起步的第一次世界大战中，德国就曾因为

协约国的海军切断了橡胶供应而运转不灵。

那时已经有理由考虑制造合成橡胶的可能性。这类合成橡胶

的天然原料自然是天然橡胶的结构单元——异戊二烯。早在

1880年，化学家们就发现，异戊二烯放置过久就会变软发黏，经酸

化处理后则会变成类似橡胶的物质。德皇威廉二世曾让人用这种

物质制成皇家汽车的轮胎，借以炫耀德国化学方面的高超技艺。

然而，用异戊二烯作为合成橡胶的原料，有两个困难：第一，异

戊二烯的主要来源正是橡胶本身；第二，异戊二烯在聚合时往往是

毫无规律地排列起来。在橡胶长链中，所有的异戊二烯单元都朝

向同一方向：……uuuuuuuuu……而在固塔坡胶长链中，它们则是

严格地按照一正一反的方向排列的：……

ununununun……然而，

如果在实验室中以通常的条件使异戊二烯聚合，则

u和

n就会毫

无规律地混合在一起，形成一种既不是橡胶也不是固塔坡胶的物

质。由于这种物质缺少橡胶的弹性和柔性，所以不能用来制造汽

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车轮胎（仅用于国事活动的皇家汽车当然是个例外）。

后来，一些与

1953年齐格勒在制取聚乙烯时使用过的催化剂

类似的催化剂，终于使人们有可能将异戊二烯聚合成与天然橡胶

几乎完全相同的产品。不过当时已经研制出许多种具有实用价值

的、化学性质与天然橡胶极不相同的合成橡胶。

人们自然是首先用一些既与异戊二烯相似而又容易获得的化

合物来制造聚合物。例如，在第一次世界大战期间，迫于橡胶匮

乏，德国人采用了二甲基丁二烯：

CH2 CC CH2

CH3 CH3

二甲基丁二烯与异戊二烯的不同之处在于，前者的

4碳链的

中间两个碳原子各连接

1个甲基（

CH3），而后者只有

1个碳原子

与甲基相连。由二甲基丁二烯聚合而成的化合物称为甲基橡胶，

这种橡胶可以大量生产，而且价格低廉。在第一次世界大战期间，

德国大约生产了

2 500吨甲基橡胶。尽管这种橡胶的耐压性能不

理想，但它毕竟是第一种具有实用价值的合成橡胶。

大约在

1930年，德国和苏联都采取了新的方针，利用根本不

带甲基的丁二烯作为单体：

CH2 CH CH CH2

这两个国家以金属钠作为催化剂，合成了一种叫做丁钠橡胶

的聚合物。

作为一种合成橡胶，丁钠橡胶对于应付橡胶匾乏而言还算是

令人满意的。添加其他单体（它们在长链中与丁二烯相间地排列

起来）可以改善丁钠橡胶的性能。最成功的添加物是苯乙烯，这是

一种与乙烯相似的化合物，但其中的

1个碳原子连接着

1个苯环。

这种产品叫做丁苯橡胶，性质与天然橡胶极其相似。事实上，在第

第十一章 分 子

第十一章 分 子

二次世界大战期间，德国军队就是因为有丁苯橡胶，橡胶供应才没

有出现严重短缺现象。苏联也曾用同样的方法向自己的军队提供

橡胶。丁苯橡胶的原料可由煤或石油获得。

美国以商业规模来开发合成橡胶开始得较晚，因为在

1941年

之前，它从未感受到橡胶短缺的威协。但是，在珍珠港事件之后，

美国便开始全力以赴地发展合成橡胶事业。它首先生产的是丁钠

橡胶和氯丁橡胶。后者是由氯丁二烯聚合而成的：

CH2 C CH CH2

Cl

可以看出，这个分子很像异戊二烯，所不同的只是氯原子代替

了甲基。

连接在聚合物长链上的氯原子使氯丁橡胶具有天然橡胶所不

具备的一些抗腐蚀性能。例如，它对于汽油之类的有机溶剂具有

较高的抗腐蚀性能，远不像天然橡胶那样容易软化和膨胀。因此，

像导油软管这样的用场，氯丁橡胶实际上比天然橡胶更为适宜。

氯丁橡胶首次清楚地表明，正如在许多其他领域一样，在合成橡胶

领域，试管中的产物并不一定只能充当天然物质的代用品，它的性

能能够比天然物质更好。

现在，人们已在生产多种化学结构与天然橡胶迥然不同但弹

性与之相似的无定形聚合物，它们具有人们所需要的一系列优良

性能。由于这类聚合物实际上并不是橡胶，所以它们被称之为弹

料（弹性聚合物）。

第一种不像橡胶的弹料在

1918年制成，这就是聚硫橡胶。它

的分子是由碳原子对和四硫原子团相间排列而构成的长链。由于

在制备聚硫橡胶时会产生难闻的气味，所以它曾长期被搁置一旁，

但是，后来它还是被投入了商业性生产。

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弹料还可以由丙烯单体、氟化碳和硅酮来合成。在这个领域，

正如人们所接触的几乎所有领域一样，有机化学家们犹如艺术大

师，利用已有的材料创造出各种新型物质，并创造出比天然物质更

好的物质。

（程席法 译）

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋 白 质

氨 基 酸

在研究生命物质的初期，化学家们就发现了一类性质奇特的

物质。在加热时，这类物质由液态变为固态，而不是由固态变为液

态。蛋清、奶里面的酪蛋白和血液里的球蛋白，就是呈现这种特性

的物质。1777年，法国化学家麦夸尔把所有加热后凝固的物质归

为特殊的一类，称之为蛋白物质，罗马《博物志》编纂家普林尼曾把

蛋清叫做清蛋白。

当 19世纪的有机化学家们着手分析蛋白质的时候，发现这些

化合物比其他有机分子复杂得多。1839年，荷兰化学家穆尔德得

出了一个基本式子：C40H62O2N10，他认为这是蛋白物质共有的一

个通式，只要在这个基本式子中加入一些含硫或含磷的基团，就可

以形成各种蛋白化合物。穆尔德把这个基本式子命名为蛋白质

（这个词是由希腊语转化来的，意思是“头等重要的”）。当时使用

这个词，大概只是为了表明这个基本式子在决定蛋白质的结构方

面是头等重要的；但是后来事物发展的结果证明，用这个词来表示

这些物质本身也是非常贴切的。自从知道了蛋白质以后，人们很

快就发现蛋白质对于生命是极为重要的。

在穆尔德工作后 10年内，李比希证实，对于生命来说蛋白质

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的作用甚至比碳水化合物或脂肪更为重要：蛋白质不仅供给碳、

氢、氧，而且供给碳水化合物或脂肪中所没有的氮和硫，还经常供

给磷。

穆尔德等人企图找出蛋白质的完整实验式，这种企图在当时

是注定要失败的。蛋白质分子太复杂了，当时所用的方法是分析

不了的。但是，人们已经开始从另一个方面对蛋白质进行研究，最

后不仅揭示出了蛋白质的组成，而且揭示出了蛋白质的结构。化

学家们开始了解到了蛋白质结构单元的一些情况。

1820年，布拉孔诺把纤维素在酸中加热（见第十一章）成功地

分解成葡萄糖单元后，决定用同样的方法处理一下白明胶（一种蛋

白物质）。处理的结果得到了一种甜的结晶物质。虽然布拉孔诺

最初怀疑这种物质是糖，但是后来证明这种物质不是糖，而是一种

含氮的化合物，因为从这种物质中可以得到氨（

NH3）。现在人们

把布拉孔诺分离出来的这种化合物叫做甘氨酸（源自希腊语

“甜”）。

此后不久，布拉孔诺把肌肉组织在酸中加热，得到了一种白色

的结晶物质。他把这种物质命名为亮氨酸（源自希腊语“白”）。

后来，当甘氨酸和亮氨酸的结构式被确定以后，人们发现它们

基本上是相似的：

CH3 CH3

CH

CH2

O

NH2CH2 C NH2 CH C

OH OH

O

甘氨酸亮氨酸

可以看出，每种化合物在两端各有一个氨基和一个羧基。因

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

做

α-氨基酸。甘氨酸和亮氨酸都是

α-氨基酸。

随着时间的推移，化学家们又从蛋白质中分离出其他的

α-氨

基酸。例如，李比希从奶的蛋白质（酪蛋白）中得到一种他称之为

酪氨酸的

α-氨基酸：

OH

C

CH CH

CH CH

C

CH2

O

NH2CH C

OH

酪氨酸

各种

α-氨基酸之间的差异，完全取决于连接在氨基和羧基之

间那个单个碳原子上的原子团的性质。例如，最简单的氨基

酸——甘氨酸，其碳原子上只连接有一对氢原子。其他的氨基酸

都有一条含碳的侧链连接在那个碳原子上。

下面我只再介绍一种氨基酸的分子式，这对讨论本章后面的

一些问题会有所帮助。这种氨基酸就是德国化学家默尔内尔

1899年发现的胱氨酸。这是一个有两个头的分子，含有两个硫原

子：

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O

NH2CH C

OH

CH2

S

S

CH2

O

NH2CH C

OH

胱氨酸

实际上，英国化学家渥拉斯顿

1810年从膀胱结石中首次分离

出胱氨酸；因此才根据希腊语“膀胱”一词命名为胱氨酸。默尔内

尔所做的工作只是证明，这种有百年历史的化合物不仅是膀胱结

石里的一种物质，也是蛋白质的一种组分。

胱氨酸很容易还原，就是说，很容易在

S－S键的地方添加两

个氢原子。于是，分子分裂成两半，每一半含有一个巯基。这种被

还原的两半叫做半胱氨酸，半胱氨酸很容易被氧化成胱氨酸。

巯基的一般脆性对一些蛋白质分子的功能是重要的。对生命

最为重要的化学物质的特点，就是在轻微的刺激下能够保持微妙

的平衡，并能够以某种方式移动。巯基便是有助于形成这种能力

的原子组合的一部分。

目前已经鉴定出的重要氨基酸（即在大多数蛋白质中存在的）

共计

19种。其中最后一种是由美国化学家W. C.罗斯于

1935年

发现的。今后不大可能再发现任何其他共同的氨基酸了。①

①现在通行的提法是组成蛋白质的基本氨基酸共

20种，称为标准氨基酸，除

78，

79页列出的

19种外还包括谷氨酰胺。——

ken777注

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

胶体

到

19世纪末，生物化学家已经确定，蛋白质是由氨基酸组成

的大分子，正如纤维素是由葡萄糖构成、橡胶是由异戊二烯构成的

一样。但是，这里有这样一个重要的差别：纤维素和橡胶是由一

种结构单元组成的，而一种蛋白质是由许多不同的氨基酸组成的。

因此，要想确定蛋白质的结构就要解决一些特殊而微妙的问题。

第一个问题就是要弄清楚在蛋白链分子中氨基酸到底是怎样

连接在一起的。

E. 费歇尔首先开始研究这个问题。他把一个氨

基酸的羧基总是与下一个氨基酸的氨基相连接，从而把一些氨基

酸连接成链。1901年，他首次完成了这种缩合，去掉一个分子的

水，把一个甘氨酸分子与另一个甘氨酸分子连接在一起。

OO

NH2 CH2 C OH+ NH2 CH2 C

OH

OO

NH2 CH2 C NH CH2 C +H2O

OH

这是最简单的缩合。1907年，E. 费歇尔合成了由

18个氨基

酸组成的一条链，其中

15个是甘氨酸，其余

3个是亮氨酸。这个

分子显示不出任何明显的蛋白质特性，但是

E.费歇尔认为，这只

是因为这条链不够长。他把他合成的链称做肽（这个词源自希腊

语，意思是“消化”），因为他认为当蛋白质被消化时会分解成这种

成分。E. 费歇尔把羧基的碳与氨基的组合命名为肽键。

1932年，德国生物化学家伯格曼（

E. 费歇尔的一名学生）设

计了一种由各种氨基酸构成肽的方法。波兰血统的美国生物化学

家费鲁顿用伯格曼的方法制备了一些肽，这些肽可以被消化液分

解成较小的碎片。由于已有充分的理由认为，消化液只能水解（加

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水后分解）分子的一个键，所以合成肽中氨基酸之间的键必定与真

正蛋白质中连接氨基酸的键相同。对于费歇尔蛋白质结构肽键理

论的正确性人们一直存有怀疑，这个证明消除了人们的疑虑。

在

20世纪早期的几十年中，合成的肽仍然非常小，在性质上

完全不像蛋白质。E. 费歇尔曾经制备了一个具有

18个氨基酸的

肽，我在前面已经讲过了；1916年，瑞士化学家阿伯德哈顿制备了

一个有

19个氨基酸的肽，比

E.费歇尔的多一个氨基酸，但是这

个记录保持了

30年。当时化学家们已经知道，这种肽与蛋白质分

子比较起来，确实只是一个微小的碎片，因为蛋白质的分子量是非

常大的。

例如，让我们来看一看血液中的一种蛋白质——血红蛋白。

血红蛋白含有铁，而铁仅占分子量的

0.34%。化学证据表明，血

红蛋白分子含有

4个铁原子，其总分子量大约为

67 000；4个铁原

子的总重量为

4×55.85，约占这种分子分子量的

0.34%。因此，

血红蛋白一定含有大约

550个氨基酸（氨基酸的平均分子量

约为

120）。把这个数字与阿伯德哈顿的

19个氨基酸相比，就可以

看出他合成的肽小得微不足道了，而血红蛋白只是一般大小的蛋

白质。

对蛋白质分子量的精确测量是通过让蛋白质在离心机内旋转

而得到的。离心机是利用离心力把粒子从中心向外推的一种旋转

装置（图

12-1）。当离心力大于地球引力时，悬浮在溶液中的粒

子就会从中心向外沉降，其速率大于在重力作用下沉降的速率。

例如，在这种离心机中，红血球会很快地沉降出来，而鲜牛奶会分

离成两部分：奶油和较重的脱脂奶。在一般的重力下，这些特殊的

分离也会发生，但是离心作用加快了这种分离过程。

虽然蛋白质分子是非常大的，但是它们还没有重到在重力下

能从溶液中沉淀出来的程度；也不能在一般的离心机中迅速沉降

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

出来。但是 1923年，瑞典化学家斯韦德贝里发明了一种能够把分

子按重量分开的超速离心机。这种高速装置每秒钟旋转 1万多

圈，产生的离心力达到地面重力的 9万倍。由于斯韦德贝里在研

究悬浮物体方面的贡献，他获得了 1926年的诺贝尔化学奖。

图 12-1离心机的原理

利用超速离心机，化学家们能够根据沉淀的速率确定一些蛋

白质的分子量（为了纪念这位化学家，沉淀速率的测量单位称为斯

韦德贝里）。结果表明，小的蛋白质的分子量只有几千，所含的氨

基酸大概不超过 50个（仍然明显地多于 19个）。其他蛋白质的分

子量达几十万甚至几百万，就是说它们一定是由几千个或几万个

氨基酸组成的。蛋白质含有如此巨大的分子，所以从 19世纪中叶

以来才被列为系统研究的一类物质。

苏格兰化学家格雷姆由于对扩散感兴趣而成了这个领域的先

驱。两种物质的分子接触时就会以扩散的方式互相混合。他是由

研究气体通过小孔或细管的扩散速率开始的。到 1831年，他能够

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证明，一种气体的扩散速率与其分子量的平方根成反比（格雷姆定

律）。（顺便说一下，人们正是利用格雷姆定律将铀

-235与铀-238

分离的。）

在以后的几十年中，格雷姆转而研究被溶解物质的扩散现象。

他发现，像盐、糖、硫酸铜等化合物的溶液能够透过大块的羊皮纸

（大概羊皮纸上有普通显微镜看不见的小孔）。而像阿拉伯树胶、

胶、白明胶等物质的溶液却透不过去。显然，后一类物质的大分子

不能穿过羊皮纸上的小孔。

格雷姆把能够穿过羊皮纸的物质叫做拟晶体（正好我们容易

得到它们的晶体）。那些不能穿过羊皮纸的物质，如胶，他称之为

胶体。于是，对大分子（或大原子团，尽管这些原子团未形成独特

的分子）的研究便被称为胶体化学。因为蛋白质和活组织中的其

他重要分子都很大，所以胶体化学对生物化学（对活组织中进行的

化学反应的研究）有着特别重要的意义。

蛋白质分子很大，对此可以多方面加以利用。假如一张羊皮

纸的一边是纯水，另一边是蛋白质的胶体溶液。蛋白质分子不能

通过羊皮纸，而且它们还堵塞了一些水分子的通道（如果没有它们

堵塞的话，这些水分子本来是可以通过的）。因此，水通过羊皮纸

进入胶体溶液要比从胶体溶液中渗透出来容易。结果，蛋白质溶

液一边的液体增多，形成一种渗透压。

1877年，德国植物学家普费弗尔告诉人们怎样测量这种渗透

压，并根据这种渗透压来确定大分子的分子量。这是估计大分子

分子量的第一个比较好的方法。

同样，蛋白质溶液也可以放入用半透膜制作的袋子中（这种膜

上有小孔，只让小分子通过，而不让大分子通过）。如果把这些袋

子放入流动的水中，小分子和离子就会通过膜而被水冲走，而把大

蛋白质分子留下来。这种透析过程就是纯化蛋白质溶液的最简单

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

的方法。

胶体般大的分子足以使光线散射，小分子却不能。不仅如此，

短波光线比长波光线散射得更厉害。1869年，爱尔兰物理学家廷

德尔首先注意到这种效应，因此，人们称这种效应为廷德尔效应。

天空为什么是蓝色的？现在的解释是，这是大气中的尘埃颗粒对

短波阳光的散射效应造成的。在日落时，由于日间的活动，大气中

的灰尘特别多，当光线穿过这样一层较厚的大气时，大量的光线被

散射掉，留下的主要是红色和橙色的光，于是形成火烧云的壮丽景

象。

由于通过胶体溶液的光线被散射，所以从侧面看上去像一个

明显的光锥。晶状体物质的溶液被照射时没有明显的光锥出现，

因此被称为光学透明。1902年，奥地利血统的德国化学家席格蒙

迪利用这种观察设计了一种超显微镜，可以垂直观察胶体溶液，使

单个颗粒呈现为明亮的光点（单个颗粒太小，用普通显微镜看不

到）。由于这方面的努力，他获得了

1925年的诺贝尔化学奖。

蛋白质化学家希望能制造出蛋白质，当然渴望能够合成长的

多肽链。但是

E. 费歇尔和伯格曼的方法每次只能增加一个氨基

酸，当时认为用这种方法合成长的多肽链是完全行不通的。因此

需要一种方法能够在链反应中把多个氨基酸连接起来，如同贝克

兰在制造高聚合塑料时所使用的方法一样。1947年，以色列化学

家卡查斯基和哈佛的化学家

R. B. 伍德沃德（合成奎宁的那个人）

都报道说，他们通过链反应的聚合作用成功地制造出了多肽。他

们开始用的原料是一种稍微改变了的氨基酸（这种改变在反应过

程中正好被完全消除）。由此开始，他们合成了由上百个甚至上千

个氨基酸组成的多肽。

这些链通常只有一种氨基酸如甘氨酸或酪氨酸组成的，因此

被称为多聚甘氨酸和多聚酪氨酸。如果开始时使用两种不同氨基

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酸的混合物，也可以合成链中含有两种不同氨基酸的多肽。但是，

这些合成的多肽只与最简单的一种蛋白质如丝心蛋白（蚕丝中的

蛋白质）相似。

多肽链

有些蛋白质像纤维素或尼龙一样，既具有纤维状又具有晶体

状：例如，丝心蛋白、角蛋白（毛发和皮肤里的蛋白质）和胶原蛋白

（腱和结缔组织中的蛋白质）。德国物理学家赫佐格通过显示这些

物质能够衍射

X射线，从而证明了它们的结晶度。另一位德国物

理学家布里尔分析了衍射图，从而确定了多肽链中原子的间距。

20世纪

30年代，英国生物化学家阿斯特伯里等人利用

X射线衍

射进一步了解了多肽链的结构。他们能够相当精确地计算出相邻

原子之间的距离和相邻的键所成的角度。他们还了解到，丝心蛋

白的链是完全伸展的，就是说，这些原子间键的角度能够使它们几

乎排列在一条直线上。

多肽链的这种完全伸展是一种最简单的排列，叫做

β构型。

当毛发被拉紧时，角蛋白分子就会像丝心蛋白分子一样呈这种构

型。（如果把毛发弄湿，就可拉伸到原来的

3倍长。）但是在通常不

拉伸的状态下，角蛋白分子显示出比较复杂的排列，称为

α构型。

1951年，加利福尼亚理工学院的泡令和科里提出，

α-构型的多

肽链呈螺旋形（类似螺旋楼梯）。为了弄清原子之间所有的键在未

拉紧的自然取向的状态下

α-构型的排列情况，他们设计了各种模

型，最后确定螺旋的每一圈具有

3.6个氨基酸的长度，即相当于

5.4埃。

什么东西能够使一个螺旋保持它的形状呢？泡令认为，这种

东西就是所谓的氢键。我们已经看到，当

1个氢原子连接到

1个

氧原子或

1个氮原子上的时候，氧原子或氮原子占用了大部分成

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

键电子，因而氢原子略带正电荷，而氧原子或氮原子略带负电荷。

在螺旋中，在螺旋转弯上或下的

1个氧原子或

1个氮原子附近，有

1个氢原子周期性地出现，靠近氧原子或氮原子。略带正电的氢

原子被略带负电的邻居所吸引。这种吸引力虽然只有一般化学键

吸引力的

1/20，但足以使螺旋保持其形状了。可是，牵拉纤维很

容易使螺旋展开，于是将纤维拉长。

至此，我们只是讨论了蛋白质分子的主链，即……

CCNCCNCCNCCN……

型的链，氨基酸的各种侧链在蛋白质结构中也起

着重要的作用。

除甘氨酸外，所有的氨基酸都至少有一个不对称的碳原子，即

在羧基和氨基之间的那个碳原子。所以每一种氨基酸都可以以两

种旋光异构体存在。这两种异构体的通式是：

OO

COH COH

H C NH2 NH2 C H

侧链

侧链

D-型氨基酸 L-型氨基酸

但是，化学分析和

X射线分析看来都相当肯定，多肽链仅仅

是由

L-型氨基酸组成的。在这种情况下，相邻氨基酸的侧链伸出

在主链的异侧；相间的侧链伸出在主链的同侧。由两种异构体的

混合物组成的链不可能稳定，因为当

L-型氨基酸和

D-型氨基酸相

邻的时候，在同一侧就会有两个相邻的侧链突出出来，这样就会使

侧链拥挤，并使键变形。

侧链是把相邻的肽链连接在一起的重要因素。当一条链上的

1个带负电荷的侧链靠近其邻居上的

1个带正电荷的侧链时，它

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们会形成

1个静电键。侧链还可以提供起连接作用的氢键。不仅

如此，双头的氨基酸胱氨酸能够把它的一个氨

-羧顺序插入一个链

中，而把另一个氨

-羧顺序插入下一个链中。于是两个链被侧链里

的两个硫原子连接在一起（二硫键）。多肽键的连接可以说明蛋白

质纤维的强度。它解释了为什么看上去很脆弱的蜘蛛网却非常坚

韧，为什么角蛋白能够形成像指甲、老虎的爪子、鳄鱼的鳞、犀牛的

角那样坚硬的结构。

溶液中的蛋白质

上面这一切很好地说明了蛋白质纤维的结构。溶液中的蛋白

质情况又如何呢？它们具有什么样的结构呢？

它们确实具有一定的结构，但是这种结构非常脆弱。对溶液

稍微加热或搅动，或加入一点儿酸、碱，或任何其他的环境变化，都

会使溶解的蛋白质变性，即蛋白质失去执行其自然功能的能力，而

且它的许多特性也会改变；还有，变性作用通常是不可逆的，例如，

煮硬的鸡蛋就再也不能变软了。

看来可以肯定，变性作用与多肽主链失去某种特殊的构型有

关。到底结构的哪一部分被破坏了呢？对于溶液中的蛋白质，

X

射线衍射无能为力，但是我们可以利用其他技术。

例如，1928年，印度物理学家喇曼发现，被溶液中的分子所散

射的光，波长会发生一定程度的变化。根据这种变化的性质，可以

推断出分子的结构。由于这项喇曼效应的发现，喇曼获得了

1930

年的诺贝尔物理学奖。（光的这种波长变化，一般叫做进行散射的

分子的喇曼光谱。）

20年后，根据原子核具有磁性这一事实，人们又发展了另一

种巧妙的方法。受到强磁场作用的分子能够吸收某些频率的无线

电波，称做核磁共振，通常缩写为

NMR，可以从中得到关于原子

第十二章 蛋白质

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之间的键的信息。特别是，核磁共振技术能够确定分子内部微小

的氢原子的位置，而

X射线衍射却探测不出来。核磁共振技术是

在

1946年由两组人员各自独立研究出来的。一组人员由珀塞耳

领导（后来珀塞耳首先探测到由空间的中性氢原子发射的射电波，

见第二章），另一组由瑞士血统的美国物理学家

F.布洛赫领导。

由于这一成就，珀塞耳和

F.布洛赫分享了

1952年的诺贝尔物理

学奖。

现在再回到溶液中蛋白质的变性的问题上。美国化学家多蒂

和布劳特利用光散射技术研究溶液中合成的多肽链，发现它们具

有螺旋结构。通过改变溶液的酸度，多蒂和布劳特能够把这些螺

旋分解成不规则的小圈；通过调整溶液的酸度，可以使螺旋复原。

他们还证明，螺旋变成不规则的小圈降低了溶液的旋光性。他们

甚至能够证明蛋白质螺旋扭转的方向：蛋白质螺旋是沿着左旋螺

纹的方向扭转的。

所有这些发现表明，一种蛋白质的变性与其螺旋结构的被破

坏有关。

蛋白质分子的分解

上面我们从总体上讨论了蛋白质分子的结构——链的一般形

状。蛋白质分子结构的细节又是怎样的呢？例如，在某个给定的

蛋白质分子中，每一种氨基酸各有多少个呢？

我们可以把一个蛋白质分子分解成组成它的各种氨基酸（通

过在酸中加热），然后测定混合液中每一种氨基酸有多少。遗憾的

是，有些氨基酸在化学性质上彼此非常相似，用普通的化学方法几

乎不能把它们截然分开，而用色谱法能够把各种氨基酸分得清清

楚楚（见第六章）。1941年，英国生物化学家马丁和辛格首先把色

谱法应用于这个方面。他们采用的是用淀粉作为色柱里的填料。

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1948年，美国生物化学家 S. 穆尔和斯坦把氨基酸的淀粉色谱法的

效率提高到一个新水平，因此，他们分享了 1972年的诺贝尔化学

奖。

把各种氨基酸的混合液倒入淀粉柱里，待所有的氨基酸分子

附着在淀粉颗粒上以后，再用新鲜的溶剂把氨基酸从柱中慢慢地

淋洗下去。每一种氨基酸都以自己特定的速率从柱中向下移动。

当每一种氨基酸从柱的底部分别流出时，那种氨基酸溶液的液滴

就被收集在一个容器里；然后用一种能够使氨基酸呈色的化学药

品，对每一个容器里的溶液进行处理。颜色的强度表示溶液中某

种氨基酸的含量。这种颜色强度是用一种叫做分光光度计的仪器

测量的。分光光度计可以通过某一特定波长的光被吸收的量显示

出颜色的强度（图 12-2）。

图 12-2分光光度计。光束被分为两部分，一部分通过要分析的标本，而另一

部分直接到光电池。因为通过标本的光束被减弱，在光电池中释放的电子比未

被吸收的光束释放的少，所以这两部分光束在示波器上显示出电位差，这样就可

以测量出标本的光的吸收量

［顺便说一下，分光光度计也可以用在其他的化学分析上。如

果让波长连续增加的光通过一种溶液，吸收的量就会平稳地改变，

在某些波长时上升到最大值，而在另一些波长时下降到最小值。

结果形成一种吸收光谱。每一种原子团都有自己特定的一个或几

第十二章 蛋白质

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虽然用淀粉色谱法测定氨基酸非常令人满意，但是在这种方

法发展起来的时候，马丁和辛格研究出了一种更简单的色谱法，叫

做纸色谱法（图 12-3）。各种氨基酸能够在一张滤纸上被分开

图 12-3纸色谱法

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把

1～2滴不同氨基酸

的混合液滴在滤纸的一个角上，然后把滤纸这一边的边缘浸入丁

醇一类的溶剂中。由于毛细作用，溶剂沿着滤纸慢慢地移动。（将

吸水纸的一角浸入水中，你就会看到这种现象。）溶剂经过液滴时

顺便带上氨基酸分子，因而使氨基酸分子也沿着滤纸移动。如同

淀粉色谱法一样，每种氨基酸都以特定的速率沿滤纸移动。过一

段时间以后，混合液中的各种氨基酸便在滤纸上分成一系列的斑

点。有些斑点可能含有两种或三种氨基酸。要把这些氨基酸再分

开，需要等滤纸干燥以后，把滤纸从原来的位置旋转

90度，然后把

新的边缘浸入第二种溶剂中，这种溶剂将把这几种氨基酸再分别

沉积成几个斑点。最后，待整张滤纸干燥以后，再用化学药品冲

洗，使氨基酸的斑点带色或变黑。这真是一种富有戏剧性的奇观：

原来混合在一种单一溶液中的各种氨基酸，现在布满整张滤纸，就

像一幅由彩色斑点拼成的工艺品。有经验的生物化学家根据斑点

所占的位置，能够识别出每一种氨基酸，几乎一眼就能看出原蛋白

质的成分。把一个斑点溶解，他们甚至能够测量出这种蛋白质中

某种氨基酸的含量。由于对这项技术的发展，马丁和辛格获得

1952年的诺贝尔化学奖。

（1952年，马丁同詹姆斯一起，把这种技术原理应用在分离气

体上。各种气体或蒸汽的混合物可以利用氮或氦一类惰性载气的

气流通过液态溶剂或吸收性固体的表面。混合的气体通过后，在

另一端出现时就分开了。这种气相色谱法特别有用，因为它分离

速度快，而且非常精密，能够探测出痕量的杂质。）

色谱分析准确地估计出了各种蛋白质的每一种氨基酸含量。

例如，已经发现，一种被称为血清清蛋白的血液蛋白质分子，含有

15个甘氨酸、45个缬氨酸、

58个亮氨酸、

9个异亮氨酸、

31个脯氨

酸、33个苯丙氨酸、

18个酪氨酸、

1个色氨酸、

22个丝氨酸、

27个

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

苏氨酸、32个胱氨酸、4个半胱氨酸、6个甲硫氨酸、25个精氨酸、

16个组氨酸、

58个赖氨酸、

46个天门冬氨酸和

80个谷氨酸，总计

有

18个不同类型的

526个氨基酸，分子量约为

69 000。（除了这

18种以外，还有一种普通的氨基酸，叫做丙氨酸。）

德国血统的美国生物化学家布兰德提出了一套代表各种氨基

酸的符号，现在已被普遍采用。为了避免与元素符号相混淆，他用

每一种氨基酸英文名字的前三个字母来为其命名，而不是只用第

一个字母。其中有几个比较特殊：

CyS代表胱氨酸，以表明它的两

半通常被连接到两种不同的链上；半胱氨酸用

CySH代表，以区别

于胱氨酸；异亮氨酸的符号是

Ileu而不是

Iso，因为

Iso是许多化

学名词的字头。

用这种符号，血清清蛋白的分子式可以写成：

Gly15Val45Leu58

Ileu9Pro31Phe33Tyr18Try1Ser22Thr27CyS32CyHS4Met6Arg25His16Lys58

Asp46Glu80。应该承认，分子式这样写比较简洁，但念起来并不顺

口。

分析肽链

发现一种蛋白质的经验式只是工作的一半——实际上远不到

一半，更为艰巨的工作是破译一种蛋白质分子的结构。有充分的

理由相信，每一种蛋白质的性质完全取决于所有那些氨基酸在分

子的链上是怎样（按什么次序）排列的。这就给生物化学家提出了

一个难题。即使每种氨基酸只用一次，

19种氨基酸在一条链上可

能的排列方式也有大约

12亿亿种。如果你觉得这个数目难以置

信，试求

19×18×17×16×……的值，这就是求有多少种可能的

排列方式的方法。如果你不相信算术，可以找出

19个棋子，在棋

子上依次标上

1至

19，看看你能把它们排列成多少种不同的次

序。我保证，这个游戏你很快就会玩不下去的。

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如果你有一个像血清清蛋白那样由

500多个氨基酸组成的蛋

白质，那么它可能的排列方式就会有大约

1×10600种，即在

1的后

面加

600个零。这简直是一个大得难以相信的数目，比整个已知

宇宙中亚原子粒子的数目还要大得多。换句话说，就此而言，即使

把这些粒子都压结实，宇宙也远远容纳不下。

虽然在那么多可能的排列方式中，要弄清楚一个血清清蛋白

分子到底属于哪一种，似乎是没有希望的，但是这类问题实际上已

经得到了处理和解决。

1945年，英国生物化学家桑格着手确定一条肽链中氨基酸的

排列次序。他首先试图鉴定出肽链一端（氨基端）的氨基酸。

显然，这一端的氨基酸（称做

N末端氨基酸）的氨基是游离

的，就是说，不与另一个氨基酸相连接。桑格使用了一种能够与游

离的氨基结合、但不能与已经跟羧基连接的氨基结合的化学药品，

制取了肽链的一种

DNP（二硝基苯酚）衍生物。利用

DNP，他可以

标记出

N末端氨基酸。因为把

DNP结合在一起的键比把链上的

氨基酸结合在一起的键力量大，所以它能够把链分解成单个的氨

基酸，并把带有

DNP标记的那一个氨基酸分离出来。碰巧

DNP

基为黄色，因此这种特殊的氨基酸同其

DNP标记一起，在纸色谱

图上呈现为一个黄色的斑点。

因此，桑格能够分离并鉴定出一条肽链的氨基端的氨基酸。

用同样的方法，他鉴定出链另一端的氨基酸——含有一个游离羧

基的氨基酸，叫做

C末端氨基酸。他还多次把一条肽链中的一些

其他氨基酸一个一个地切割下来，并鉴定出它的末端顺序。

桑格进而研究整条肽链。他选用的是胰岛素。这种蛋白质有

两个优点：一是它对人体的功能有非常重要的作用；二是它是一种

比较小的蛋白质，胰岛素的最简式分子量只有

6 000。DNP处理

表明，这种蛋白质分子由两条肽链组成，因为它含有两种不同的

N

第十二章 蛋白质

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末端氨基酸。这两条链是由一些胱氨酸分子连接起来的。桑格用

化学的方法断开胱氨酸中两个硫原子之间的键，把胰岛素分子分

成它的两条肽链，每一条都完整无损。其中一条链的

N末端氨基

酸为甘氨酸（称之为

G链），另一条链的

N末端氨基酸是苯丙氨酸

（称之为

P链）。现在可以对这两条链分别进行研究了。

桑格和他的同事塔皮首先把

G链和

P链分解成单个的氨基

酸，从而鉴定出组成

G链的

21个氨基酸和组成

P链的

30个氨基

酸。接着，为了了解排列顺序的情况，他们就把

G链和

P链分解

成由

2～3个氨基酸组成的碎片，而不分解为单个的氨基酸。这个

任务可以通过部分水解的方法来完成，水解仅断开链中比较弱的

键；也可以通过用某些消化物质攻击胰岛素的方法来完成，这些消

化物质只断开氨基酸之间的某些键而不损害其他键。

利用这些方法，桑格和塔皮把

G链和

P链分别分解成许多不

同的片段。例如，把

P链分解成

48个不同的片段，其中由

2个氨

基酸（二肽）组成的片段

22个，由

3个氨基酸组成的片段

14个，由

3个以上的氨基酸组成的片段

12个。

经过分离的各种小的肽，用纸色谱法可以再分解成单个的氨

基酸。现在研究者们准备测定这些片段中氨基酸的顺序了。假如

他们有一个由缬氨酸和异亮氨酸组成的二肽。问题会是：顺序是

Val－Ileu还是

Ileu－Val？换句话说，N末端氨基酸是缬氨酸还是

异亮氨酸？（氨基以及相继的

N末端单元，通常认为在一条链的

左端。）对此，

DNP标记可以回答这个问题。如果

DNP标记出现

在缬氨酸上，那么，缬氨酸就是

N末端氨基酸，从而可以确认这个

二肽的排列顺序是

Val－Ileu。如果

DNP标记出现在异亮氨酸

上，排列顺序则为

Ileu－Val。

一个由

3个氨基酸组成的片段，其排列顺序也可以确定出来。

假如一个片段的组成是亮氨酸、缬氨酸和谷氨酸。

DNP试验可以

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首先鉴定出

N末端氨基酸。比方说，如果是亮氨酸，那么，排列顺

序不是

Leu－Val－Glu就是

Leu－Glu－Val。然后人工合成这两

种组合，并分别滴在滤纸上，使成为色谱图上的斑点，再看看哪一

种组合在滤纸上占的位置与被研究的片段所占的位置相同。

对于含有

3个以上氨基酸的肽，可以把它们先分解成比较小

的片段，然后再进行分析。

用这种方法把胰岛素分子分成的所有片段的结构确定以后，

下一步就是按照它们在链中的正确次序，把这些片段连接在一

起——就像小孩玩拼板玩具那样。这里有许多线索可寻。例如，

已知

G链只含有

1个单位的氨基酸——丙氨酸，在从分解

G链所

得到的肽混合物中，发现丙氨酸有两种组合方式：丙氨酸

-丝氨酸

和肽氨酸-丙氨酸。因此，在完整的

G链中，排列次序一定是

CyS－Ala－Ser。

利用这些线索，桑格和塔皮逐渐地把这些片段拼到了一起。

把所有的片段都确认出来，并以完全满意的顺序把它们排列出来，

要花费几年的时间。但是到了

1952年，他们就研究出了

G链和

P

链中所有氨基酸的精确的排列次序，接着他们继续研究两条链是

怎样连接起来的。1953年，他们宣布终于胜利地破译了胰岛素的

结构。一种重要的蛋白质分子的全部结构第一次被研究出来了。

由于这一成就，桑格获得了

1958年的诺贝尔化学奖。

生物化学家们立即采用桑格的方法来确定其他蛋白质分子的

结构。1959年，攻克了核糖核酸酶，这是一种由含有

124个氨基

酸的单个肽链组成的蛋白质分子；1960年，研究出了含有

158个

氨基酸的烟草花叶病毒的蛋白质单位；1964年，破译了一种含有

223个氨基酸的蛋白质——胰蛋白酶；到

1967年，这种研究技术

实际上已经自动化了。瑞士血统的美国生物化学家埃德曼设计了

一种顺序分析仪，可以把

5毫克纯蛋白质的氨基酸一个一个地分

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

的

60个氨基酸就是用这个方法在

4

天内鉴定出来的。

人们已经详细地研究出了更长的肽链。到

20世纪

80年代，

任何蛋白质，不论有多大，其详细结构都可以确定出来。只要不怕

麻烦，就毫无疑问。

总的来说，这些分析表明，大部分蛋白质都能在它们的链上充

分显示出所有（或几乎所有）不同的氨基酸。只有几种比较简单的

纤维状蛋白，如丝中或腱中发现的那些蛋白，偏重于

2～3种氨基

酸。

在由全部

19种氨基酸组成的那些蛋白质中，单个的氨基酸没

有明显的排列次序，也很少发现有周期性的重复。这些氨基酸是

这样排列的，当链通过在各处形成的氢键而折叠起来的时候，各种

侧链能构成一个含有正确排列次序的原子团或电荷图样的表面，

从而使蛋白质发挥其功能。

合成蛋白质

一旦弄清楚了多肽链中氨基酸的顺序，人们就可以着手完全

按照那种正确的顺序把氨基酸结合在一起了。当然，一开始合成

的是一种小的蛋白质。在实验室中合成的第一种蛋白质是催产

素，一种对人体有许多重要功能的激素。催产素是一种极小的蛋

白质分子，只含有

8个氨基酸。1953年，美国生物化学家迪维尼

奥成功地合成了一种与催产素的特征完全相似的肽链，而且，这种

合成肽的确显示出自然激素的全部特性。迪维尼奥获得了

1955

年的诺贝尔化学奖。

在以后的几年中，人们合成出了更复杂的蛋白质分子；但是要

用按照特殊顺序排列的特殊氨基酸合成一种特殊的分子，打个比

方说，就必须像穿串珠一样，一次只穿一个。这件事情在

20世纪

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50年代如同在半个世纪以前的

E. 费歇尔时代一样困难。每次把

一个特殊的氨基酸连接到一条链上，都必须用繁琐的方法把这种

新的化合物同所有其他的部分分离，然后再重新开始连接另一个

特殊的氨基酸。在每一步骤中都会有大部分物质在副反应中失

去，因此，即使简单的链，能合成的量也很小。

但是，1959年初，由美国生物化学家梅里菲尔德领导的一个

小组，在新的方向上有了突破。所需要的链的开头的一个氨基酸

被连接在用聚苯乙烯树脂制成的串珠上。这些串珠在所使用的溶

液中不溶解，而且通过简单的过滤就能够同其他所有的物质分离。

把含有第二个氨基酸的新溶液加进去，第二个氨基酸就会接在第

一个上。再过滤，然后再倒入含有第三个氨基酸的新溶液。加溶

液的步骤非常简单迅速，因此可以自动化，而且几乎没有任何损

失。1965年，用这种方法合成了胰岛素分子；

1969年，合成了更长

的核糖核酸酶的链，共含有

124个氨基酸；接着，

1970年，中国血

统的美国生物化学家李卓浩合成了有

188个氨基酸链的人体生长

激素。原则上讲，只要具有足够的耐心，任何蛋白质现在都能人工

合成。

蛋白质分子的形状

认识到蛋白质分子是一串氨基酸（打个比方）以后，人们希望

对蛋白质分子能有更多的了解。氨基酸链究竟是以什么方式扭曲

的呢？蛋白质分子的确切形状是什么样的呢？

奥地利血统的英国化学家佩鲁茨和他的英国同事肯德鲁着手

研究这个问题。佩鲁茨把血红蛋白作为研究对象。血红蛋白是血

液中载氧的蛋白质，含有大约

12 000个原子。肯德鲁则挑选了肌

红蛋白，一种在功能上类似血红蛋白的肌肉蛋白质，但在大小上只

有血红蛋白的

1/4。他们使用的是

X射线衍射分析法。

第十二章 蛋白质

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佩鲁茨使用的装置能够把一些蛋白质分子和一个大质量原子

（如金或汞的原子）结合起来，因为这些大质量原子衍射

X射线的

效率特别高。这样，他得到很多线索，从而更精确地推断出在没有

大质量原子的情况下血红蛋白分子的结构。到

1959年，肌红蛋白

分子的结构弄清楚了，第二年血红蛋白分子的结构也研究出来了。

这样就可以制造出它们的立体模型，使每一单个原子都安置在看

上去很可能是正确的位置。结果，佩鲁茨和肯德鲁分享了

1962年

的诺贝尔化学奖。

有理由认为，利用佩鲁茨-肯德鲁技术得出的这些立体结构，

终归要由那一串氨基酸的性质来确定。打个比方说，氨基酸串具

有一些自然折皱点，当它们弯曲的时候，必然会发生某些相互联

系，从而使氨基酸串适当地折叠起来。通过计算出所有原子间的

距离和连接键所放置的角度，就能够确定这些折叠和相互联系的

情况，但这确实是一项繁琐的工作。这项工作也已经利用计算机

了：不仅用计算机进行计算，而且还让计算机把结果显示在屏幕

上。

不管怎样，已经知道立体形状详细情况的蛋白质分子的数目

正在迅速增加。胰岛素作为向分子生物学发起新的攻击的起点，

它所具有的立体形状是英国生物化学家

D. C. 霍奇金

1969年研

究出来的。

酶

蛋白质分子非常复杂，而且几乎有无数的种类，因而很有用

处。蛋白质在生物体内要执行多种不同的功能。

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一种主要功能就是为身体提供结构骨架。正如纤维素构成植

物的骨架一样，各种纤维状蛋白质对复杂的动物也起着同样的作

用。蜘蛛织网的丝和昆虫幼虫做茧的丝都是蛋白质纤维。鱼和爬

行动物的鳞主要是由角蛋白构成的。毛发、羽毛、犄角、蹄子、爪子

和指甲也含有角蛋白，它们只不过是变化了的鳞。皮肤由于含有

大量的角蛋白才那么坚韧。体内的支持组织（软骨、韧带、腱甚至

于骨骼的有机支架）主要是由胶原蛋白和弹性蛋白一类的蛋白质

分子组成的。肌肉是由一种叫做肌动球蛋白的复杂的纤维状蛋白

质组成的。

在所有这些实例中，蛋白质纤维不是纤维素的代用品，而是纤

维素的改良品。蛋白质纤维比纤维素更结实、更柔软。纤维素可

以支持植物，但植物不需要做比随风摇晃更复杂的运动。而蛋白

质纤维则必须适应身体各部位的弯曲，以进行各种快速运动和振

动等。

可是，不论在结构上还是在功能上，蛋白质纤维只是蛋白质中

最简单的一类。大多数其他蛋白质要做的工作更精细、更复杂。

为了全面地维持生命，必须在体内进行许多化学反应。这些

反应种类繁多，而且必须高速进行，每一个反应都要和所有其他的

反应紧密配合，因为生命的平稳活动不是依赖某一种反应，而是依

赖所有的反应。此外，所有的反应必须在最温和的环境下进行，即

没有高温、没有强的化学药品，也没有高压。这些反应必须在严格

而灵活的控制下进行，而且必须根据环境的变化特点和身体变化

的需要经常进行调整。在成千上万的反应中，即使有一个反应太

慢或太快，多少都会给身体造成损害。

所有这一切都是由蛋白质分子来完成的。

第十二章 蛋白质

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催化作用

到

18世纪末，化学家们以拉瓦锡为先导，开始用定量的方法

来研究各种反应，特别是测定化学反应进行的速率。他们很快就

注意到，环境稍微改变就会使反应速率发生重大变化。例如，当克

希霍夫发现有酸存在淀粉就会变成糖时，他注意到，尽管酸极大地

加快了这个反应，但在反应过程中酸本身并没有被消耗。人们很

快又发现了一些其他这样的例子。德国化学家德贝赖纳发现，铂

的粉末（称做铂黑）能够促使氢和氧结合成水，如果没有铂黑的帮

助，这个反应只有在高温下才会发生。德贝赖纳甚至设计了一种

能够自动点火的灯，在灯里面把氢气流喷到一个涂有铂黑的面上，

灯就点着了。

因为这种“被加快的反应”通常是朝着由一种复杂物质分解为

一种比较简单物质的方向进行的，所以贝采利乌斯把这种现象命

名为催化作用（源自希腊语，原意主要是“分解”）。于是，铂黑被叫

做氢和氧化合的催化剂，而酸被叫做淀粉水解成葡萄糖的催化剂。

催化作用被证明在工业上具有头等的重要性。例如，硫酸是

一种仅次于空气、水和食盐的重要无机化合物，而制造硫酸的最好

方法就是将硫燃烧——先变成二氧化硫（

SO2），再变成三氧化硫

（SO3）。如果不加入铂黑一类的催化剂的话，从二氧化硫变成三

氧化硫这一步就进行得像蜗牛爬行一样慢。镍粉末（在大多数情

况下用它来代替铂黑，因为它比较便宜）以及铜

-铬铁矿、五氧化二钒、

三氧化二铁、二氧化锰等化合物也是重要的催化剂。事实上，在工

业上一个化学生产过程能否成功，在很大程度上取决于能否找到

正好适合有关反应的催化剂。正是由于齐格勒发现了一种新型的

催化剂，才使聚合物的生产发生了一场革命。

一种物质尽管有时用量很少，却能引起大量的反应，而自己本

身并不发生变化，这是怎么回事呢？

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有一类催化剂实际上是参加反应的，但它是以一种循环的方

式参加反应的，因此它能够连续不断地恢复到原来的形态。五氧

化二钒就是一个例子，它能够催化二氧化硫变为三氧化硫。五氧

化二钒把它的一个氧原子递给

SO2，把

SO2变成

SO3，而自身变成

四氧化二钒（

V2O4）。但是四氧化二钒很快与空气中的氧反应，又

恢复成

V2O5。这样五氧化二钒起了一个“中间人”的作用，把一个

氧原子递给二氧化硫，从空气中再另取一个，然后再递给二氧化

硫，如此循环不已。这个过程进行得非常快，因此，少量的五氧化

二钒就足以使大量的二氧化硫发生转变，而最终五氧化二钒看上

去并没有改变。

1902年，德国化学家隆哥提出，上述情况可以解释一般的催

化作用。1916年，朗缪尔又向前迈进了一步，他对像铂一类物质

的催化作用提出了一种解释：这类物质非常不容易起反应，因而不

可能指望它们参与一般的化学反应。朗缪尔认为，铂金属表面多

余的价键能够抓住氢分子和氧分子。当氢分子和氧分子被束缚在

非常靠近铂的表面时，比起它们作为一般的游离的气态分子更容

易化合成水分子。水分子一旦形成，就会被氢分子和氧分子从铂

的表面推开。铂捕捉住氢和氧，使氢和氧化合成水，把水释放掉，

再捕捉氢和氧，再形成水，这个过程可以无休止地进行下去。

这个过程叫做表面催化作用。自然，一定质量的金属，粉末越

细，所能提供的表面积就越大，因而进行催化作用的效率也就越

高。当然，如果有任何外来的物质牢固地附着在铂表面的键上，就

会使这种催化剂中毒。

所有的表面催化剂多少都具有选择性或专一性。有些容易吸

收氢分子，因而能够催化与氢有关的反应；另一些容易吸收水分

子，因而能够催化缩合反应或水解反应；等等。

表面普遍具有能够吸附多层分子的能力（吸附作用），这种能

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

力除了可以催化以外，还可以有其他用途。制成海绵状的二氧化

硅（硅胶）能吸收大量的水，把它放进电子设备里，可以起干燥剂的

作用，使湿度降低。在湿度高的情况下，电子设备的性能会受到损

害。

还有，研成细粒的木炭（活性炭）很容易吸附有机分子；有机分

子越大就越容易被吸附。活性炭可以用来使溶液脱色，因为它能

吸附有色的杂质（通常分子量很大），而留下所需要的物质（通常无

色，分子量也比较小）。

活性炭还被用于防毒面具。这个用途英国医生斯坦豪斯早就

预示到了，1853年，他首先制成了一个活性炭空气过滤器。空气

中的氧和氮通过这种物质时不受影响，但比较大的毒气分子则被

吸附。

发酵

有机界同样有自己的催化剂。实际上，其中有些催化剂已经

知道了几千年，虽然当时并不叫那个名称。它们同做面包和酿酒

一样源远流长。

生面团如果只有自身而不加任何东西，就会发不起来。加一

块酵母（源自拉丁语，原意为“发起来”），就会开始起泡，使面团膨

胀而变轻。

酵母还能使果汁和谷类加速转化成酒。在转化过程中同样也

形成气泡，因此人们把这个过程叫做发醉。酵母的制品通常称为

酵素。

直到

17世纪，人们才发现了酵母的本质。1680年，一位荷兰

研究者列文虎克第一次看到了酵母的细胞。为此，他使用了一种

使生物学产生革命的仪器——显微镜。显微镜是根据透镜可以使

光线折射和聚焦的原理制成的。早在

1590年，一位荷兰眼镜制造

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商

Z. 詹森就设计了用组合镜片组成的仪器（复显微镜），这些早

期的显微镜大体上是可以使用的，但由于镜片磨得不好，被放大的

物体成为模糊不清的斑点。列文虎克用的镜片很小，但磨得很细，

即使把物体放大

200倍仍很清晰。他使用的是单透镜（简单显微

镜）。

随着时间的推移，把好的镜片组合使用的做法越来越普遍（因

为复显微镜至少在潜力方面比简单显微镜大得多），微观世界进一

步被打开。在列文虎克以后一个半世纪，法国物理学家卡格尼亚

尔·德拉图尔使用一台优质的复显微镜，专心地研究酵母的细小斑

点，发现这些小斑点竟然是活的——它们正在进行繁殖。于是，在

19世纪

50年代，酵母成了一个研究的热门课题。

当时，法国的酿酒业正陷入困境。陈酒变酸，变得没法再喝，

损失达数百万法郎。这个问题被提到位于葡萄种植区中心的利尔

大学科学系的年轻系主任那里。这位年轻的系主任就是巴斯德。

他由于最先在实验室里分离出对映体，当时已经出了名。

巴斯德在显微镜下研究葡萄酒中的酵母细胞。他明显地看

到，酵母细胞有许多不同的种类。所有的葡萄酒都含有引起发酵

的酵母，但是那些变酸的葡萄酒还含有另外一种酵母。巴斯德认

为，葡萄酒是在发酵完成以后才开始变酸的。既然在必要的发酵

以后不再需要酵母，为什么不在这个时候把所有的酵母都去掉，以

免那个坏种捣乱呢？

因此，他向一家被吓坏了的酿酒厂建议，在葡萄酒发酵后稍微

加热，以杀死酒中所有的酵母。他预言，这样葡萄酒就能陈酿而不

变酸。那家酿酒厂勉强试验了他这个令人难以接受的建议，高兴

地发现酒不再变酸了，而且酒的味道并没有因为加热而受到任何

损害。酿酒业得救了。此外，这种稍微加热法（巴氏杀菌）后来也

用于牛奶，以杀死牛奶里的细菌。

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

除了酵母以外，其他生物体也能加速分解过程。实际上，在肠

道里就进行着类似于发酵的过程。第一个以科学的方法研究消化

的人是法国物理学家列奥米尔。他用鹰作为实验对象。1752年，

他让鹰吞下几个里面装有肉的小金属管；金属管保护肉不受任何

机械研磨作用，但是管上都有用格栅挡着的小孔，使胃里的化学过

程能够作用到肉上。列奥米尔发现，当鹰吐出这些管子的时候，肉

已经部分地分解了，而且管中有一种带黄色的液体。

1777年，苏格兰医生史蒂文斯从胃里分离出一种液体（胃

液），并且证明分解过程可以在体外进行，从而把分解过程与生命

的直接影响分离开来。

显然，胃液里含有某种能加速肉分解的东西。1834年，德国

博物学家施万把氯化汞加入胃液，结果沉淀出一种白色粉末。把

汞化物从粉末中除去，再把剩下的粉末溶解，此时他得到一种浓度

非常高的消化液。他把他发现的这种粉末叫做胃蛋白酶（源自希

腊语“消化”）。

同时，两位法国化学家帕扬和佩索兹发现，麦芽提取物中有一

种物质，能够把淀粉转变成糖，而且比酸还要快。他们称这种物质

为淀粉酶制剂（源自希腊语“分离”），因为这种物质是从麦芽中分

离出来的。

在很长一段时间里，化学家们对像酵母细胞一类的活体酵素

和像胃蛋白酶一类的非活体（即无细胞结构的）酵素作了明确的区

分。1878年，德国生理学家库恩提出把后者称做酶（源自希腊语

“在酵母中”）。库恩当时没有意识到，“酶”这个词以后会变得多么

重要，多么普遍。

1897年，德国化学家毕希纳用砂粒研磨酵母细胞，把所有的

细胞全部研碎，并成功地提取了一种液体。他发现，这种液体能够

像原酵母细胞一样完成发酵任务。活体酵素与非活体酵素之间的

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区别一下子消失了。这对于活力论者又是一次打击，活力论者对

生命和非生命进行了带有神秘色彩的区分。“酶”这个词现在用于

所有的酵素。

由于这项发现毕希纳获得了

1907年的诺贝尔化学奖。

蛋白催化剂

现在我们可以把酶简单地定义为有机催化剂。化学家们开始

着手分离酶，想看看它们究竟是些什么样的物质。麻烦的是，在各

种细胞和天然液体内，酶的含量都非常小，而且所得到的提取物总

是混合物，很难分清其中哪些是酶，哪些不是酶。

许多生物化学家曾经猜测酶就是蛋白质，因为稍微加热，酶的

特性很容易被破坏，就像使蛋白质变性一样。但是，在

20世纪

20

年代，德国生物化学家威尔施泰特报道说，某些纯化了的酶溶液

（他认为他已经从中去掉了所有的蛋白质），表现出明显的催化作

用。他的结论是：酶不是蛋白质，而是比较简单的化学物质，它

实际上可能是利用蛋白质作为载体分子。当时大多数生物化学家

都站在威尔施泰特一边，他是诺贝尔奖金获得者，享有很高的

威望。

可是，这个学说刚一提出，康奈尔大学的生物化学家萨姆纳几

乎马上就提出有力的证据予以反驳。萨姆纳从刀豆（一种美洲热

带植物的白色种子）中分离出一些结晶，溶解后显示出一种叫做脲

酶的酶的特性，即能够催化尿素分解成二氧化碳和氨。萨姆纳的

结晶显示出明显的蛋白质性质，而且他无法把蛋白质与酶的活力

分开。凡是使蛋白质变性的东西也都会破坏这种酶。这一切好像

都证明，他所得到的是一种纯的结晶状的酶，而且证明酶是一种蛋

白质。

由于威尔施泰特的巨大威望，在一段时间内萨姆纳的发现没

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

有受到重视。但是，

1930年，洛克菲勒研究院的化学家诺思罗普

和他的同事们证明萨姆纳的发现是正确的。他们结晶出了许多种

酶（包括胃蛋白酶在内），而且发现它们都是蛋白质。此外，诺思罗

普还证明，这些结晶都是纯蛋白质，即使溶解并稀释到一般化学试

验（如威尔施泰特所做的那些试验）不能再查到蛋白质存在的程

度，仍然会保持它们的催化活力。

酶就这样被证实是蛋白催化剂。到目前为止，人们已经识别

出大约

2 000种不同的酶，并对

200多种酶进行了结晶——全部

都是蛋白质，无一例外。

由于他们的工作，萨姆纳和诺思罗普分享了

1946年的诺贝尔

化学奖。

酶作用

酶在高效率和专一性两个方面都非常像催化剂。例如，有一

种叫做过氧化氢酶的酶，可以催化过氧化氢分解成水和氧。虽然

现在溶液中的过氧化氢也可以用铁屑或二氧化锰来催化，但是，在

相同重量的情况下，过氧化氢酶加快分解的速率要比任何无机催

化剂都快得多。在

10℃时，每一分子的过氧化氢酶每秒钟能够使

44 000分子的过氧化氢分解。所以，只要有浓度很小的酶就能完

成它的功能。

由于同样的原因，只要服用少量能干扰一种主要酶作用的物

质（毒物），就能结束生命。将重金属以氯化汞或硝酸钡等形式给

人服用后，它们就会与许多酶活性所必不可少的巯基发生反应。

那些酶停止作用，生物体就会中毒。像氰化钾或氰化氢一类的化

合物，用它们的氰基与其他主要酶的铁原子结合，很快就能使动物

死亡。

在常见的毒物中，一氧化碳是个例外。一氧化碳基本上不作

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用于酶而与血红蛋白分子结合（血红蛋白是一种蛋白质，但不是一

种酶）。在一般情况下，血红蛋白把氧从肺运送给细胞，但是被一

氧化碳缠住后，就不能运送氧了。不使用血红蛋白的动物不受一

氧化碳的伤害。

酶具有高度专一性，过氧化氢酶就是一个很好的例子，它只分

解过氧化氢而不分解任何其他物质；而无机催化剂，如铁屑和二氧

化锰等，不仅可以分解过氧化氢，而且可以催化许多其他反应。

怎样解释酶的高度专一性呢？隆哥和朗缪尔关于催化剂的行

为像中间人的学说提出了一种答案。假定我们认为一种酶和它的

底物（酶催化其反应的物质）形成一种暂时的结合，这样，这种酶的

形状或构型可能起着非常重要的作用。显然，每一种酶必定有一

个非常复杂的表面，因为它有许多不同的侧链从肽主链上突出出

来。这些侧链中有的带负电荷，有的不带电荷；有的大，有的小。

人们可以设想，每一种酶可能都有一个正好与某种底物相配合的

表面，换句话说，它与底物的配合就像钥匙配锁一样。因此，它很

容易与那种物质结合，而很难或根本不与其他物质结合。这样就

可以解释酶的高度专一性了：每一种酶都有一个定做的表面（打

个比方），用来和一种特殊的化合物结合。如果是那样的话，蛋白

质由那么多不同的单元组成，而且由活组织制造出那么多的种类，

就没有什么可奇怪的了。

酶作用的这种学说是英国生理学家贝利斯在他的著作中首先

提出的。他研究的是一种叫做胰蛋白酶的消化酶。1913年，德国

化学家米歇里斯和他的助手门腾利用这个学说研究出了米歇里

斯-门腾反应式，描述了酶执行其功能的方式，使这些催化剂变得

不那么神秘了。

人们发现，如果有一种在结构上与某种底物类似的物质存在

的话，就会减慢或抑制底物的这种酶促反应。这也证实了这种锁

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

钥观点。最有名的是关于琥珀酸脱氢酶的例子：这种酶能够催化

从琥珀酸中脱去两个氢原子的反应；如果有丙二酸（和琥珀酸非常

相似）存在，这个反应就不能进行。琥珀酸和丙二酸的结构式如

下：

O

O

CH2 C

C

OH

OH

CH2

O

O

C

CH2 C

OH

OH

琥珀酸丙二酸

这两个分子之间惟一的区别就是在琥珀酸的左侧多一个

CH2

基。因为丙二酸的结构与琥珀酸相似，所以大概丙二酸可以附着

在琥珀酸脱氢酶的表面。一旦丙二酸在酶的表面上先占据了琥珀

酸要附着的点（打个比方说），它就会一直堵塞在那里，酶就失去了

作用。就酶的正常功能来说，丙二酸使酶中了毒。这种作用叫做

竞争性抑制。

支持酶-底物复合物学说的最确实的证据来自光谱分析。人

们推测，如果一种酶与它的底物结合的话，在吸收光谱方面应当有

变化：结合物所吸收的光应当不同于单独的酶或单独的底物所吸

收的光。1936年，英国生物化学家基林和曼，在过氧化氢酶溶液

中加入它的底物过氧化氢以后，探测到颜色的改变。美国生物化

学家钱斯进行了光谱分析，发现在吸收图样中有两种渐进的变化，

一个接着一个。他认为，图样的第一种变化是由于酶和底物在以

一定的速率形成复合物，而第二种变化是因为随着反应的完成，这

种结合在减慢。1964年，日本生物化学家八木宣称，他分离出一

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种由

D-型氨基酸氧化酶和它的底物丙氨酸松散结合而组成的

酶-底物复合物。

现在又出现了一个问题：催化作用是需要整个酶分子呢，还是

需要它的某一部分就够了呢？这在理论上和实践上都是一个重要

的问题。今天酶已被广泛应用：被用来制药、制造柠檬酸以及许多其

他化学品。如果不必用整个酶分子，而用它的某一小片段就可完

成反应，或许这一活性部分可以人工合成，从而使生产过程不必依

赖利用像酵母、霉菌和细菌一类的活细胞了。

已经朝着这个目标取得一些有希望的进展。例如，诺思罗普

发现，当在胃蛋白酶分子的酪氨酸的侧链上加上一些乙酞基的时

候，酶就失去部分活性；但是，当把乙酞基加在胃蛋白酶的赖氨酸

的侧链上时，酶的活性没有任何损失。因此，酪氨酸一定与胃蛋白

酶的活性有关，而赖氨酸显然无关。这是第一次表明，酶可能含有

其活性不需要的部分。

最近，另一种消化酶的活性部位被更准确地确定出来，这种酶

叫胰凝乳蛋白酶。胰腺最先分泌出它时不带活性，叫做胰凝乳蛋

白酶原。这个没有活性的分子通过扯裂一个单肽键（由胰蛋白酶

来完成）而转变成有活性的分子：好像是暴露出单个氨基酸就会给

胰凝乳蛋白酶以活性。现在已经证明，把一个

DFP（二异丙基氟

磷酸）分子附着在胰凝乳蛋白酶上，就会停止这个酶的活性。人们

推测，DFP附着在一种主要氨基酸上。由于

DFP的标记作用，已

经证认出那个氨基酸就是丝氨酸。事实上，人们发现

DFP还附着

在其他消化酶的丝氨酸上。在每次发现中，丝氨酸都是处在

4个

氨基酸排列顺序的同一个位置上：甘氨酸

-天门冬氨酸

-丝氨酸

-甘

氨酸。

已经证明，只有这

4个氨基酸组成的肽表现不出催化的活性。

显然，酶分子的其余部分也以某种方式起着作用。我们可以把这

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

4个氨基酸顺序（活性中心）看成是一把刀的刀刃，如果没有刀把，

它就毫无用处。

在氨基酸链上活性中心（刀刃）也不一定全都在一起。我们来

看一看核糖核酸酶。因为已经知道它的

124个氨基酸的准确顺

序，所以可以设想一些方法，有意地变换链上的某一个氨基酸，看

看这种变化对酶的作用有什么影响。结果发现，有

3个氨基酸是

酶作用所特别需要的，但是它们相隔很远。它们是第

12位的组氨

酸、第

41位的赖氨酸和第

119位的另一个组氨酸。

当然，这种分离的情况只存在于被看成是一长串的链中。在

工作分子中，链卷曲成一个特殊的立体构型，由跨越各圈的

4个胱

氨酸固定位置。在这样的分子中，

3个必要的氨基酸被聚集在一

起，形成一个紧密结合的单元。

在对溶菌酶的研究中，使活性中心的问题变得更加明确。许

多地方（包括眼泪和鼻涕）都有溶菌酶，它能催化分解组成细菌细

胞壁的某些物质的主要键，从而使细菌细胞溶解，就好像它能使细

胞壁破裂，使细胞里面的东西漏出来似的。

溶菌酶是第一个对结构进行全面立体分析的酶（

1965年）。

经过这种立体分析可以证明，受溶菌酶作用的细菌细胞壁的分子

正好与酶结构上的一个裂隙相符。人们发现主要键位于谷氨酸

（第

35位）侧链上的一个氧原子和天门冬氨酸（第

52位）侧链上的

另一个氧原子之间。这两个位置通过氨基酸的折叠而聚集在一

起，相隔的距离正好可以配上一个要攻击的分子。在这样的情况

下，断开键所需要的化学反应很容易发生。溶菌酶就是以这种方

式专门组织起来发生作用的。

此外，有时还会发生这样的情况，酶分子的刀刃根本不是一组

氨基酸，而是性质完全不同的一种原子结合物。我将在本书的后

面讲几个这方面的例子。

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我们不能随意改变刀刃，但是我们能否改变一下刀把而不损

害这一工具的使用价值呢？刀把有自己的用途，这是没有疑问的。

酶在其自然状态下似乎很不平稳，不用怎么扭曲就能呈现多种不

同的形状。当给活性部位增加底物时，酶就按照底物的形状调整

自己的形状，由于分子的非活性部分的“退让”，所以它们配合得非

常紧密，催化作用的效率也很高。形状稍微不同的底物就不会那

样充分地利用这种“退让”，因而不会受到什么影响——实际上，还

可以抑制酶作用。

而且，酶还可以简化，可能要以损失部分（而不是全部）效率为

代价。例如，像胰岛素一类的蛋白质就有许多不同的种类存在，这

就促使人们相信，简化是可能的。胰岛素是一种激素，而不是一种

酶，但是它的功能具有高度专一性。在胰岛素

G链的某一位置

上，有一段

3氨基酸顺序，在不同的动物体内排列顺序不同：在牛

体内为丙氨酸

-丝氨酸-缬氨酸；在猪体内为苏氨酸

-丝氨酸-异亮

氨酸；在羊体内为丙氨酸

-甘氨酸-缬氨酸；在马体内为苏氨酸

-甘

氨酸-异亮氨酸，等等。但是，这些胰岛素中的任何一种都可以代

替其他任何一种，而且都能执行同样的功能。

此外，有时把一个蛋白质分子切去一大段对它的活性没有什

么严重影响（如同把刀把或斧子把弄短一点不会使其效率损失多

少一样）。适当的例子是一种叫做促肾上腺皮质激素（

ACTH）的

激素。这是一种由

39个氨基酸组成的肽链，氨基酸的排列顺序现

在已经完全确定下来，从

C末端一直去掉

15个氨基酸也不会失

去这种激素的活性；而从

N末端（打个比方说，刀刃）去掉一两个

氨基酸，它就会立即失去活性。

对从木瓜树的果实和树液中提取的木瓜蛋白酶也进行了同样

的实验。它的酶作用与胃蛋白酶相似。从

N末端去掉胃蛋白酶

分子的

180个氨基酸，看不出它的活性有什么降低。

第十二章 蛋白质

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因此，至少可以设想，酶将会进一步简化到可以大量人工合

成的程度。那时候，合成酶就会以比较简单的有机化合物的形式

大规模生产，并应用于各个方面。这将是化学小型化的一种

方式。

新陈代谢

一个像人体这样的生物体就是一座种类繁杂的化工厂：它吸

入氧气并喝水；它把碳水化合物、脂肪、蛋白质以及其他原料作为

食物吃进去，又把各种未消化的东西和细菌以及由细菌引起的腐

败产物排出来；它还通过肺排出二氧化碳，通过肺和汗腺排出水，

并排泄尿，由尿带出许多溶解的化合物，其中主要是尿素。这些化

学反应决定着身体的新陈代谢。

通过检查进入身体的原料和排出的废物，我们就可以知道体

内发生的一些情况。例如，由于进入体内的氮大部分是由蛋白质

供给的，所以我们知道，尿素一定是蛋白质新陈代谢的一种产物。

但是，在蛋白质和尿素之间，有着一条漫长而又曲折复杂的路径。

身体的每一种酶只能催化一种特殊的微弱反应，大概只能重新排

列两三个电子。身体的每一个大的转变都要涉及到许多步骤和许

多酶，即使看上去像微小的细菌那样的生物，也必须利用几千种不

同的酶和化学反应。

这一切可能看上去极其复杂，但这正是生命的本质。通过增

加或减少适当的酶的产生，就可以微妙地控制各种组织中的大量

复杂的反应。酶控制体内的化学反应，就像手指在弦上的复杂动

作控制小提琴的演奏一样；没有这种复杂性，身体就不能完成它的

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多种功能。

组成身体新陈代谢的反应不计其数，要追踪这些反应的过程

就等于要追踪生命的轮廓。企图详细追踪这个过程，企图弄明白

同时发生的无数个反应之间的相互紧密配合，看来可能确实是一

件极其艰巨甚至没有希望的工作。艰巨是事实，但并不是没有希

望。

把糖变成乙醇

化学家们对新陈代谢的研究，是从努力查明酵母细胞怎样把

糖变成乙醇开始的。1905年，两位英国化学家哈登和

W. J.扬提

出，这个过程与含磷酸基糖类的形成有关。哈登和

W. J.扬最先

注意到，磷在新陈代谢中起着重要作用（从那时起磷的作用日益突

出）。哈登和

W. J.扬甚至在活组织里发现了一种由含有两个磷

酸基（

PO3H2）的果糖组成的糖基磷酸醋。这种二磷酸果糖（有时

仍叫做哈-扬二氏酯）是被明确证认出来的第一种代谢中间物，即

在从化合物被摄入体内到化合物被排出体外的过程中，被认识到

的第一种暂时形成的化合物。哈登和

W. J.扬就这样创立了中间

代谢的学科，专门研究这些中间产物的性质及与它们有关的反应。

由于这项工作以及对在酵母使糖转化成乙醇过程中有关酶的进一

步研究工作，哈登分享了

1929年的诺贝尔化学奖。

1918年，德国化学家迈尔霍夫证明，动物细胞（如肌肉细胞）

分解糖的方式和酵母基本相同，从而使开始时只涉及酵母细胞的

问题具有了更加广泛的重要性。主要差别是：在代谢这一特殊的

过程中，动物细胞的分解作用不如酵母细胞彻底。例如，它不是把

6个碳的葡萄糖分子一直分解成

2个碳的乙醇（

CH3CH2OH），而

只是分解成

3个碳的乳酸（CH3CHOHCOOH）。

迈尔霍夫的研究首次说明了一个普遍的原理：在一切生物（从

第十二章 蛋白质

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最简单的到最复杂的）体内，新陈代谢所经历的途径是一样的，只

有一些微小的差别。从此这个原理为世人所公认。由于迈尔霍夫

对肌肉中乳酸方面的研究，他和英国生理学家希尔一起分享了

1922年的诺贝尔医学与生理学奖。希尔是从肌肉产生热的角度

研究肌肉的，他所得出的结论与迈尔霍夫从化学研究中得到的结

论非常相似。

在

1937～1941年期间，在圣路易华盛顿大学工作的科里夫妇

（C. F.科里和

G. T.科里），研究出了从糖转化成乳酸过程中的各

个步骤的细节。他们利用组织提取液和提纯的酶来使各种糖磷酸

醋发生变化，然后像玩拼板游戏一样把所有这些变化拼集在一起。

他们提出的各个步骤变化的图式至今仍然没有什么改动。科里夫

妇分享了

1947年的诺贝尔医学与生理学奖。

在糖转化成乳酸的过程中，产生一定的能量，这种能量为细胞

所利用。酵母细胞在使糖发酵时就靠这种能量来生活，肌肉细胞

在必要的时候也是如此。重要的是，要记住这种能量是在不使用

空气中的氧的条件下得到的，因此，即使当肌肉需要消耗较多的能

量，而通过血流较慢的速率给肌肉供氧的反应满足不了这种需要

时，肌肉仍能工作。然而，随着乳酸的积聚，肌肉就会越来越疲劳，

最后肌肉必须休息，直到氧把乳酸分解掉。

代谢能量

下一个问题是：由糖分解成乳酸所产生的能量是以什么方式

供给细胞，而细胞又是怎样利用这种能量的呢？德国出生的美国

化学家

F. A.李普曼从他

1941年开始的研究中找到了一个答案。

他证明，在碳水化合物代谢过程中形成的某些磷酸化合物，在连接

磷酸基和分子其余部分的键上，储存着大量的能量。这种高能磷

酸键被转移给所有细胞中都有的能量载体，这些载体中最有名的

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就是

ATP（腺苷三磷酸）。ATP分子和某些类似的化合物可以说

是身体能量的“零用钱”。它们把这种能量储存在整齐的、大小适

宜而又随时可取的“口袋”里。当磷酸键被水解断开时，这种能量

就能转换成把氨基酸合成蛋白质的化学能，转换成传导神经冲动

的电能，或者经过肌肉收缩转换成动能等等。虽然在任何一个时

候

ATP的储量都很少，但总是够用（只要生命存在），因为旧的

ATP分子一用完，新的

ATP分子立即形成。

由于这一重要发现，F. A.李普曼分享了

1953年的诺贝尔医

学与生理学奖。

哺乳动物的身体不能像酵母那样把乳酸转变成乙醇，而是通

过另一种代谢途径，绕过乙醇，把乳酸直接分解成二氧化碳（

CO2）

和水。在进行这种分解时，身体消耗氧，而且产生的能量比葡萄糖

变为乳酸的不需要氧的转换所产生的能量多得多。

代谢与消耗氧有关，这个事实提供了一种追踪代谢过程（即查

明在代谢过程中产生的中间产物）的简便方法。比如说，在连续反

应的某一步骤上，某一种物质（例如琥珀酸）被怀疑是中间底物。

我们可以把这种酸和活组织（或在许多情况下和单一的酶）混合在

一起，测定出这种混合物的耗氧速率。如果耗氧快，我们就可以确

信，这种特殊的物质确实能够促进这个过程。

德国生物化学家瓦尔堡设计了一种可以用来测定耗氧速率的

关键仪器，叫做瓦尔堡测压计。它是由一具小烧瓶（在里面将底物

和活组织或酶混合）和一个细

U型管组成的，U型管的一端连接

着烧瓶，另一端的口开着。在

U型管的下部装有带色的液体。当

酶和底物的混合物从烧瓶里的空气中吸收氧时，就会在烧瓶里形

成少量的真空，因而连接烧瓶那一侧的

U型管里的带色液体就会

上升。利用这种带色液体上升的速率，就可以计算出耗氧的速率

（图

12-4）。

第十二章 蛋白质

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图 12-4瓦尔堡测压计

瓦尔堡的活组织耗氧实验为他赢得了 1931年的诺贝尔医学

与生理学奖。

瓦尔堡和另一位德国生物化学家维兰德证认了乳酸分解过程

中的放能反应。在一系列的反应过程中，成对的氢原子被一种叫

做脱氢酶的酶从中间产物上脱掉。这些被脱掉的氢原子在一种叫

细胞色素的酶的催化作用下又与氧化合。在 20世纪 20年代后

期，瓦尔堡和维兰德对这两个反应哪一个更重要争论不已，瓦尔堡

认为是耗氧，维兰德认为是脱氢。最后，基林证明这两个步骤都是

必不可少的。

德国化学家克雷布斯继续研究出了由乳酸变成二氧化碳和水

的全部反应顺序和中间产物。这叫做克雷布斯循环，也称做柠檬

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酸循环，因为柠檬酸是这一过程中形成的主要产物之一。由于他

在

1940年完成的这项成就，克雷布斯和

F. A.李普曼分享了

1953

年的诺贝尔医学与生理学奖。

克雷布斯循环为在呼吸中利用分子氧的那些生物（即除少数

几种厌氧菌以外的所有生物，厌氧菌依靠与氧无关的化学反应的

能量）产生了所需要的大部分能量。在克雷布斯循环的不同点上，

一种化合物会失去两个氢原子，这两个氢原子最终要与氧化合成

水。这个“最终”隐藏了许多细节。这两个氢原子由一种细胞色素

分子传递给另一种细胞色素分子，直到最后一种细胞色素氧化酶

才把这两个氢原子传递给分子氧。沿着细胞色素的行列，形成

ATP（腺苷三磷酸）分子，为身体提供了自身化学反应所需能量的

“零用钱”。克雷布斯循环的每一圈总计形成

18个

ATP分子。因

为整个过程涉及到氧和为形成

ATP而积聚的磷酸基，所以这整个

过程叫做氧化磷酸化，这是活组织的一个关键反应。如果这个反

应受到任何严重干扰（如一个人吃了氰化钾），几分钟之内就会致

死。

参加氧化磷酸化的全部物质和酶都包含在细胞质内的小颗粒

里。这些颗粒是德国生物学家本达

1898年首先发现的，当然，当

时他并不了解它们的重要性。他把它们称为线粒体（他误认为它

们是“软骨的丝”），这个名称就这样保留下来。

一般线粒体呈橄榄球形，约

1/10 000英寸长，

1/25 000英寸

粗（1英寸＝2.47厘米）。一个一般细胞含有大约几百个到上千个

线粒体。非常大的细胞可以含有几十万个，而厌氧菌里一个也没

有。第二次世界大战以后，电子显微镜的研究证明，线粒体虽然很

小但有自身的复杂结构。线粒体有一个双层膜，外膜光滑，内膜精

巧地折叠成脊，以增大表面积。沿着线粒体的内层表面有几千个

叫做基粒的微小结构。看来这些基粒就是进行氧化磷酸化的实际

第十二章 蛋白质

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场所。

脂肪的代谢

在此期间，生物化学家在研究脂肪的代谢方面也取得了进展，

已经知道，脂肪分子是碳链，它们可以水解成脂肪酸（最常见的有

16个或

18个碳原子长），并且每次可以从分子上分解两个碳。

1947年，F. A.李普曼发现了一种相当复杂的化合物，它在乙酰化

中起作用，即把一个二碳片段由一种化合物转移给另一种化合物。

他把这种化合物叫做辅酶

A（A代表乙酰化）。3年以后，德国生

物化学家吕南发现辅酶

A与脂肪的分解有密切关系。辅酶

A一

旦附着在一个脂肪酸上，就会接连发生四个步骤的反应，最后在辅

酶

A附着的链的那一端的末尾断掉两个碳原子；接着另一个辅酶

A分子附着在剩余的脂肪酸上，再断掉两个碳原子，这样继续进行

下去。这个过程叫做脂肪酸氧化循环。由于这项成就和其他成

果，吕南分享了

1964年的诺贝尔医学与生理学奖。

一般说来，蛋白质的分解显然一定比碳水化合物或脂肪的分

解复杂得多，因为蛋白质的分解涉及到二十来种不同的氨基酸。

在某些情况下这个分解过程比较简单：一个氨基酸上有一种微小

的变化就可能把这个氨基酸变成一种能够进入柠檬酸循环的化合

物（如脂肪酸断掉的两个碳的片段那样）。但是氨基酸主要还是通

过复杂的途径分解的。

现在我们再回到蛋白质转变成尿素上来，这个问题我在酶一

节中已经谈过了。这种转变碰巧比较简单。

有一个原子团是尿素分子成为精氨酸侧链的一部分所必不可

少的。这个原子团可以被一种叫做精氨酸酶的酶截下来，剩下一

种被截短的氨基酸，叫做鸟氨酸。1932年，克雷布斯和他的一位

同事亨斯雷特，在利用大鼠肝组织研究尿素的形成时发现，当他们

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把精氨酸加到大鼠肝组织里时，大鼠肝组织产生大量的尿素——

实际上，远远超过他们加入的精氨酸的每个分子都分解所能产生

的量。克雷布斯和亨斯雷特断定，精氨酸一定起着使尿素反复产

生的催化剂的作用。换句话说，在精氨酸分子被精氨酸酶截去其

尿素结合部分以后，剩下的鸟氨酸又从其他氨基酸中获得氨基（加

上从体内得到的二氧化碳），重新形成精氨酸。就这样精氨酸分子

反复分解，再形成，再分解，一直进行下去，每次都产生一分子的尿

素。这个过程叫做尿素循环，也叫做鸟氨酸循环或克雷布斯

-亨斯

雷特循环。

利用精氨酸除去氮以后，剩下的氨基酸的碳主链就可以通过

各种途径分解成二氧化碳和水，同时产生能量（碳水化合物、脂肪

和蛋白质的新陈代谢全过程见图 12-5）。

图 12-5碳水化合物、脂肪和蛋白质新陈代谢全过程示意图

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示 踪 剂

虽然可以利用所有这些方法对新陈代谢进行研究，但是仍然

使化学家们好像处于一种从屋外向里观瞧的境地。他们能够说明

总的循环，但要查明活的动物体内实际发生的情况，他们需要一些

追踪的方法，非常详细地了解新陈代谢各个阶段的各种事件的过

程，也就是追踪各种特定分子的实际命运。实际上，在本世纪初就

发现了追踪的技术，但是化学家们未能很快地充分利用这些技术。

首先沿着这个途径开创前进的是德国生物化学家努普。 1904

年，他想出了一个方法：用带有标记的脂肪分子喂狗，然后观察这

些分子会发生什么变化。他把一个苯环连接在链的一端，给脂肪

分子做上标记；他使用苯环是因为哺乳动物体内没有能够分解苯

环的酶。努普推想：苯环在尿中出现时所携带的东西可能会告诉

我们一些有关脂肪分子在体内怎样分解的情况。他的推想是正确

的：排出的苯环总是附带着一个双碳的侧链。他由此推断，身体一

定是每次从脂肪分子上分解出两个碳原子。（前面我们已经看到，

40多年后，对辅酶 A的研究证实了他的推断。）

一般脂肪上的碳链都含有偶数的碳原子。如果使用链上含有

奇数碳原子的脂肪又会如何呢？在这种情况下，要是一次截去两

个碳原子的话，最后在苯环上就会只附带一个碳原子。努普用这

种脂肪喂狗，最后的结果果然如此。

努普在生物化学上使用了第一种示踪剂。1913年，匈牙利化

学家赫维西和他的同事德国化学家帕内特想出了另一种标记分子

的方法：放射性同位素。他们从利用放射性铅开始。第一个生化

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实验就是以铅盐溶液的方式测量一棵植物吸收了多少铅。由于植

物吸收铅的量确实太小了，用任何可以利用的化学方法都测量不

出来。但是，如果使用放射性铅，利用铅的放射性就很容易测量出

来。赫维西和帕内特给植物施加上这种带有放射性标记的铅盐溶

液；每过一段时间，他们就烧掉一颗植物，然后测定它的灰烬的放

射性。用这种方法，他们能够确定植物细胞吸收铅的速率。

但是苯环和铅是非常不利于生理的物质，用它们来作标记很

容易破坏活细胞正常的化学反应。最好能够使用实际参与体内一

般代谢作用的原子（如氧、氮、碳、氢、磷等原子）来作标记。

1934年约里奥-居里夫妇证实了人工放射性以后，赫维西立

即转到这个方向上来，开始使用含有放射性磷的磷酸盐。他用这

种盐测定了植物中磷酸盐的吸收量。遗憾的是，活组织中的一些

主要元素的放射性同位素（尤其是氮和氧）是不稳定的，因为它们

的寿命很短，最多只有几分钟的半衰期。但是，一些最重要的元素

中的确有可以用作标记的稳定同位素。这些同位素是碳-13、

氮-15、氧-18和氢-2。在通常情况下，它们产生的量非常小（大约

为

1%或更少）。比方说，在氢

-2中，“浓缩”天然氢就可以使氢作

为含氢分子的特殊标记进入身体，而任何化合物中有重氢都可以

用质谱仪探测出来。质谱仪是利用重氢多余的重量将重氢分离

的。这样，人们就可以在全身追踪带有标记的氢的命运了。

事实上，氢是人们使用的第一种生理示踪剂。

1931年尤里分

离出氢-2（氘），这时人们可以用氘来示踪了。用氘作为示踪剂最

先弄清楚的几件事情之一是，体内的氢原子并不像人们曾经认为

的那样固定在它们的化合物上。结果证明，它们总是从一种化合

物到另一种化合物，穿梭般地来回跑动，在糖分子、水分子等的氧

原子上不停地交换位置。因为无法把一个一般的氢原子与另一个

相区别，所以，如果没有氘来泄露，这种穿梭活动是发现不了的。

第十二章 蛋白质

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这一发现表明，氢原子在体内到处跑动，如果把氘原子附着在氧

上，那么，不管有关化合物是否发生全部的化学变化，氘原子都会

散布到全身。因此，研究人员必须查明，在一种化合物中发现的氘

原子是通过某种确定的酶促反应到那里去的，而不只是通过穿梭

或交换的方法跑去的。可庆幸的是，附着在碳上的氢原子不交换，

所以，沿碳链发现的氘具有代谢的意义。

1937年，德国出生的美国生物化学家舍恩海默和他的同事们

开始使用氮-15，进一步强调了原子的游动习性。他们用带有

氮-15标记的氨基酸喂养大鼠，过一定的时间以后把大鼠杀死，然

后分析大鼠的组织，看哪些化合物中带有氮

-15。他们又一次发现

交换是重要的。一个带有标记的氨基酸进入身体以后，很快就发

现几乎所有的氨基酸都带有氮

-15。1942年，舍恩海默出版了一

本书，名为《身体成分的动态》。这个书名就说明了同位素示踪剂

给生物化学带来的新面貌。原子完全摆脱实际化学变化，在繁忙

的道路上不断地往返游动。

使用示踪剂使人们对代谢过程逐渐有了详细的了解。它进一

步证实了诸如糖的分解、柠檬酸循环以及尿素循环的总图式。它

使人们认识了更多新的中间产物，找到了许多其他的反应途径，

等等。

由于核反应堆的发展，在第二次世界大战以后有

100多种不

同的放射性同位素可以大量利用，示踪研究工作进入了高速发展

阶段。一般的化合物在反应堆中用中子轰击，取出后就会带有多

种放射性同位素。在美国（我大概可以说几乎是在全世界，因为美

国很快就制造了供其他国家科学研究使用的同位素）每一个生物

化学实验室都已经开始利用放射性示踪剂进行研究工作了。

现在，稳定同位素中又增加了放射性氢（氚）、放射性磷（磷

-

32）、放射性硫（硫

-35）、放射性钾（钾

-42）、放射性钠、放射性碘、放

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射性铁、放射性铜和最重要的放射性碳（碳

-14）。碳-14是由美国

化学家卡门和鲁宾

1940年发现的。使他们感到惊奇的是，经证明

碳-14的半衰期是

5 000多年——人们从未想到轻元素中会有一

种半衰期这么长的放射性同位素。

胆固醇

碳-14解决了化学家们多年来未能解决而且他们似乎根本无

法解决的一些问题。在这些问题中，他们首先解决的一个问题就

是胆固醇是怎样产生的。维兰德（由于他在研究有关胆固醇的化

合物方面的成就，获得

1927年的诺贝尔化学奖）等人经过多年的

艰苦研究，终于提出了如下的胆固醇结构式：

CH3

CH3

CH CH2 CH2 CH2 CH

CH3

CH CH3

CH2

CH2 C CH2

CH3

CH2

CH CH CH2

CH2 C

CH

CH CCH2

OH CH2 CH

胆固醇在体内的功能还不完全了解，但是很明显这种物质是

非常重要的。在神经周围的脂肪鞘里，在肾上腺里，以及在某些蛋

白质的结合物里，发现都有大量的胆固醇。过量的胆固醇能够引

起胆结石和动脉粥样硬化。最值得注意的是，胆固醇是整个类固

醇族（甾族化合物）的原型，类固醇的核就是你在以上分子式中所

看到的四环结合物。类固醇是一组固态的、类似脂肪的物质，其中

包括性激素和促肾上腺皮质激素。毫无疑问，它们都是由胆固醇

形成的。但是，胆固醇本身在体内又是怎样合成的呢？

第十二章 蛋白质

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在他们得到示踪剂的帮助以前，化学家们对这个问题毫无认

识。最先用示踪剂研究这个问题的是舍恩海默和他的同事里顿伯

格。他们让大鼠喝下重水后发现，重水的氘出现在胆固醇分子中。

这个结果本身并不重要，因为仅仅通过交换氘就可以到胆固醇分

子中去。但是，

1942年（在舍恩海默悲惨地自杀以后），里顿伯格

和另一位同事德国血统的美国生物化学家

K. E. 布洛赫，发现了

一条比较明确的线索。他们把示踪剂氘连接在乙酸离子（一种简

单的二碳基团，CH3COO—）CH3基的碳原子上，然后用这种乙酸

离子喂大鼠。氘同样出现在胆固醇分子中，这一次它不可能是通

过交换到那里去的：它一定是作为

CH3基的一部分被结合到胆固

醇分子中去的。

二碳基团（乙酸离子就是其中的一种）好像是代谢的一个总交

叉路口。这样看来，这种基团很可能起着合成胆固醇的材料库的

作用。但是，它们到底是怎样形成胆固醇分子的呢？

1950年，当可以利用碳

-14的时候，K. E. 布洛赫重复了这个

实验，这一次他在乙酸离子的两个碳上分别使用了不同的标记。

他用稳定示踪剂碳-13标记出

CH3基上的碳，用放射性碳-14标记

出

COO－基上的碳。他把这种化合物喂给一只大鼠，然后分析大

鼠的胆固醇，看这两个带有标记的碳在胆固醇分子的什么地方出

现。这种分析是一项艰巨的任务，需要精细的化学技术。

K. E.

布洛赫和许多其他实验者为此工作了多年，对胆固醇碳原子的来

源一个一个地予以确认。最后形成的图式表明，乙酸基团可能首

先形成一种叫做鲨烯的物质。这是一种体内非常稀少的三十碳化

合物，以前从来没有人想到要给予认真关注。现在它好像是通往

胆固醇道路上的一个中间站，生物化学家们怀着强烈的兴趣开始

了对它的研究。由于这项工作，K. E. 布洛赫和吕南分享了

1964

年的诺贝尔医学与生理学奖。

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血红素的卟啉环

生物化学家们用和解决胆固醇合成大致相同的方法，探索了

血红素的卟啉环结构。卟啉环是血红蛋白和许多酶中的一种关键

结构。哥伦比亚大学的谢敏用各种方法给甘氨酸作上标记，然后

喂鸭。甘氨酸（

NH2CH2COOH）有两个碳原子。当他用碳-14标记

CH2基的碳时，碳出现在从鸭血中提取的卟啉中。当他标记

COOH基的碳时，放射性示踪剂不在卟啉中出现。总而言之，

CH2

基参与卟啉的合成，而

COOH基不参与。

谢敏和里顿伯格合作，发现甘氨酸的分子不仅在活动物体内

能够结合到卟啉中去，而且在试管内的红血球里也能结合到卟啉

中去。这个发现使事情简单化了，人们可以得到更加明确的结果，

而避免宰杀或伤害动物。

后来，谢敏用氮

-15标记甘氨酸的氮，并用碳

-14标记甘氨酸

的

CH2基的碳，然后把这种甘氨酸与鸭血混合在一起。之后，他

小心地剖析了所产生的卟啉，发现卟啉分子中

4个氮原子全部来

自甘氨酸。4个小吡咯环（分子式见第十一章）的每个环上，都有

一个邻近的碳原子来自甘氨酸。在吡咯环之间起桥梁作用的

4个

碳原子也是这样。这样就剩下了卟啉环本身的

12个其他碳原子

和各种侧链上的

14个碳原子。已经证明，这些碳原子来自乙酸离

子，有些来自

CH2基的碳，有些来自

COOH基的碳。

根据示踪原子的分布情况，人们可以推断出乙酸和甘氨酸进

入卟啉的方式。首先形成一个单吡咯环，然后两个单吡咯环结合

成双吡咯环，最后，两个双吡咯环化合物结合在一起，形成四环卟

琳结构。

1952年，英国化学家韦斯托尔通过一种独立的研究途径分离

出了一种叫做卟啉原（胆色素原）的纯化合物。因为这种化合物经

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

常出现在卟啉代谢有缺陷的人的尿里，所以人们怀疑它和卟啉有

某种关系。结果证明，它的结构和单吡咯环的结构正好完全相同。

谢敏和他的同事们假定，这种结构是合成卟啉最初的步骤之一。

卟啉原就是一个重要的中间站。

后来又证明，δ-氨基-γ-酮戊酸（

ALA）能够供给红血球合成卟

啉环所需要的全部原子。这是一种与半个卟啉原分子的结构相类

似的物质。最有说服力的结论是：细胞首先由甘氨酸和乙酸形成

δ-氨基-γ-酮戊酸（在这个过程中，甘氨酸的

COOH基变成

CO2而

被去掉），而后两个

δ-氨基-γ-酮戊酸分子结合，形成卟啉原（一个

单吡咯环），卟啉原再依次先结合成一个双吡咯环，最后结合成四

吡咯环的卟啉。

光合作用

在示踪研究所取得的全部成就中，最伟大的大概要属追踪形

成绿色植物的一系列复杂步骤了——地球上的全部生命都要依赖

于绿色植物。

如果动物只靠互相吞食为生，动物界就不会存在下去。热力

学第二定律告诉我们，在循环的每一阶段，都会失去某种东西。任

何动物都不能将它吃的食物里所含的碳水化合物、脂肪和蛋白质

全部储存起来，也不能全部利用食物里的能量。大部分（实际上，

绝大部分）能量必然变成无用的热而被浪费掉。这样，在吃的每一

阶段，都会损耗掉一些能量。因此，如果所有的动物都是严格的食

肉动物的话，那么在非常少的几代内，整个动物界就会灭绝。实际

上，要是这种情况，首先动物界就根本不会出现。

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令人庆幸的是，事实上绝大部分动物是食草动物。它们以地

里的草、树叶、种子、坚果和水果为食，或者靠吃海草和布满海洋上

层的微小绿色植物细胞为生。只有少数动物能够过上食肉的奢侈

生活。

至于植物本身，如果没有外来的能源供应，它们的处境也不会

比动物好。它们用简单的分子（如二氧化碳和水）合成碳水化合

物、脂肪和蛋白质。这种合成需要输入能量，而且植物是从最丰富

的能源——阳光那里获得能量的。绿色植物把阳光的能量转变成

复杂化合物的化学能，而这些化学能可以养活所有的生命（某些细

菌除外）。这个过程是德国物理学家

J. R.梅耶

1845年最先明确

指出的。J. R. 梅耶是能量守恒定律的创始人之一，因此他特别注

意能量平衡的问题。绿色植物利用阳光的过程叫做光合作用（源

自希腊语，意思是“被阳光聚集在一起”）。

光合作用的过程

17世纪初期，比利时佛兰芒化学家范黑尔蒙特对植物生长最

先进行了科学研究。他把称过重量的土壤倒在一个桶里，在里面

种了一棵小柳树。他发现，虽然小树长大了，但是土壤还是同以前

一样重。大家对此感到非常惊奇，因为人们一直想当然地认为植

物是从土壤中得到它们所需要的物质的、（实际上，植物确实从土

壤中摄取矿物质和离子，但摄取的量很小，不容易称量出来。）如果

植物不是从土壤中得到所需要的物质，那么，它们是从什么地方得

到的呢？范黑尔蒙特断定，植物一定是用水制造它们的物质的，因

为他经常给植物浇水。他的推断只有一部分是正确的。

一个世纪以后，英国生理学家黑耳斯指出，植物主要是用一种

比水更微妙的原料来制造它们的物质的，这种原料就是空气。半

个世纪以后，荷兰医生因根豪茨证实，空气中的养分是二氧化碳。

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

他还证明，植物在黑暗中不吸收二氧化碳；吸收二氧化碳需要光。

与此同时，氧的发现者普里斯特利已经了解到，绿色植物能放出

氧。1804年，瑞士化学家索绪尔证明，正如范黑尔蒙特所指出的

那样，水被合成到植物的组织里。

19世纪

50年代，法国采矿工程师布森戈在完全没有有机物

的土壤里种植植物，于是又有了一个重大发现。他用这种方法证

明，植物只能从大气的二氧化碳中得到它们所需要的碳。可是，植

物不能在没有氮化合物的土壤里生长，因此，它们从土壤里得到所

需要的氮，而不能利用大气中的氮（已经证明，某些细菌除外）。从

布森戈时期起人们才明白，土壤供给植物的直接养分仅限于某些

无机盐，如硝酸盐和磷酸盐。有机肥料（如粪肥）给土壤增加的正

是这些成分。化学家们开始提倡施加化肥，因为化肥既能很好地

达到这种目的，又能免除难闻的气味，还能减少传染疾病的危险，

已经查出很多疾病与农家粪堆有关。

这样，光合作用过程的轮廓就确定下来了。在阳光下，植物吸

收二氧化碳，并把二氧化碳和水化合成自己的组织，在这一过程中

放出“剩余的”氧。因此，事情清楚了，绿色植物不仅供给食物，而

且更新地球的氧供应。如果没有这种更新的话，那么，几个世纪

内，氧就会降到一个很低的水平，大气里就会充满二氧化碳，窒息

动物的生命。

地球上的绿色植物制造有机物和释放氧的规模是非常巨大

的。俄国血统的美国生物化学家、光合作用的主要研究者拉宾诺

维奇估计，地球上的绿色植物每年要化合

1 500亿吨的碳（来自二

氧化碳）和

250亿吨的氢（来自水），并释放出

4 000亿吨的氧。在

这一巨大成绩中，属于陆地上森林和田野里的植物的只占

10%；

90%我们要归功于海洋里的单细胞植物和海草。

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叶绿素

我们还只是有了光合作用过程的轮廓。详细情况又是怎样的

呢？1817年，法国的佩尔蒂埃和卡芳杜分离出了一种最重要的植

物产物，就是这种产物使绿色植物成为绿色的。因此，他们把这种

化合物叫做叶绿素（源自希腊语，意思是“绿色的叶子”）。（后来他

们还发现了奎宁、马钱子碱、咖啡碱及一些其他特殊的植物产物。）

而后，1865年，德国植物学家萨克斯证明，叶绿素并不是一般地弥

散在所有的细胞中（尽管叶子看上去绿色很均匀），而是局限在小

的亚细胞体内。这种亚细胞体后来称做叶绿体。

现在问题清楚了，光合作用是在叶绿体内进行的。叶绿素对

光合作用过程是必不可少的，但是只有叶绿素是不够的。不论怎

样小心地提取，所得到的叶绿素本身在试管里都不能催化光合反

应。叶绿体通常比线粒体大得多。有些单细胞植物，每个细胞只

有一个大的叶绿体。但是，大多数植物细胞含有

40来个较小的叶

绿体，每一个叶绿体的长和粗都是一般线粒体的

2～3倍。

叶绿体的结构看上去比线粒体更为复杂。叶绿体的内部是由

许多伸展在壁与壁之间的薄膜组成的。这些薄膜叫做片层。在大

多数种类的叶绿体中，这些片层在一些地方变厚变深以形成基粒，

叶绿素分子就是在这些基粒里发现的。

如果把基粒内的片层放在电子显微镜下研究，会看到它们也

好像是由刚能看得见的微小单位组成的，就像浴室地面上的瓷砖

一样铺得整整齐齐。每一个这样的单位可能就是一个进行光合作

用的单元，含有

250～300个叶绿素分子。

叶绿体比线粒体更难完整地分离出来。直到

1954年，波兰血

统的美国生物化学家阿诺恩才从破碎的菠菜叶细胞中获得十分完

整而且能够把全部光合反应进行到底的叶绿体。

叶绿体不仅含有叶绿素，而且含有全套的酶及有关的物质，它

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

们都恰当而巧妙地排列着。叶绿体还含有细胞色素。依靠细胞色

素，它可以把叶绿素捕捉到的光能，通过氧化磷酸化，转变成

ATP（腺苷三磷酸）。

叶绿体的情况如此，那么，叶绿体中最有代表性的物质叶绿素

的结构又是什么样的呢？在几十年的时间里，化学家们利用他们

掌握的各种工具来研究这种关键的物质，但进展很慢。最后，

1906

年，德国的威尔施泰特（即后来发现色谱法的那个人，但他错误地

坚持酶不是蛋白质）证明，叶绿素分子的中心部分是金属镁。（由

于这项发现及其他关于植物色素的研究，威尔施泰特获得

1915年

的诺贝尔化学奖。）威尔施泰特和

H. 费歇尔继续研究叶绿素分子

的结构，这个任务用了整整一代人的时间才告完成。到

20世纪

30年代，已经确定，叶绿素有一个基本上和血红素（

H. 费歇尔曾

破译的一种分子）相类似的卟啉环结构。血红素在卟啉环的中心

有一个铁原子的地方，叶绿素则有一个镁原子。

R. B. 伍德沃德消除了对于这一点的一切疑虑。这位合成大

师

1945年合成了奎宁；

1947年合成了马钱子碱；

1951年合成了胆

固醇；

1960年他又创造了新记录，合成了一种与威尔施泰特和

H.

费歇尔所提出的分子式完全符合的分子，而且，请注意，这种分子

具有从绿叶中分离出来的叶绿素的全部性质。由于这项成就，

R. B. 伍德沃德获得了

1965年的诺贝尔化学奖。

叶绿素在植物里到底催化了什么反应？直到

20世纪

30年

代，人们所知道的还只是二氧化碳和水进去，氧出来。分离出来的

叶绿素不能发生光合反应，这个事实使研究工作更加困难。只有

完整的植物细胞（至少也要完整的叶绿体）才能进行光合反应；因

此，这个被研究的系统是非常复杂的。

作为最初的猜想，生物化学家们认为，植物细胞首先利用二氧

化碳和水合成葡萄糖（

C6H12O6），然后利用这种葡萄糖，加上土壤

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中的氮、硫、磷和其他无机元素，继续合成各种植物物质。

从理论上看，葡萄糖似乎可能是通过一系列步骤形成的，首先

把二氧化碳中的碳和水化合（放出二氧化碳中的原子氧），然后再

把这种化合物（

CH2O，即甲醛）聚合成葡萄糖。六个甲醛分子可以

合成一个葡萄糖分子。

这种用甲醛合成葡萄糖的过程实际可以在实验室里完成，但

方法非常麻烦。人们推测，植物可能具有加速这种反应的酶。诚

然，甲醛是一种毒性很大的化合物，但是化学家们猜想，甲醛变成

葡萄糖的速度非常快，因而使植物在任何时候只能含有极少量的

甲醛。这种甲醛学说是拜耳（靛蓝的合成者）于

1870年首先提出

的，流传了两代人的时间，只是因为没有一种更好的学说取代它。

1938年，鲁宾和卡门着手用示踪剂探测绿色叶子的化学作

用，于是又开始重新研究这个问题。利用氧

-18（氧的一种不常见

的稳定同位素），他们获得一个轮廓清楚的发现：结果证明，当用

氧-18只标记上施于植物的水时，植物所放出的氧就带有这种标

记；当用氧

-18只标记上供给植物的二氧化碳时，植物所放出的氧

就不带有这种标记。简单地说，这个实验表明，植物所放出的氧来

自水分子，而不是来自二氧化碳分子。甲醛学说认为植物放出来

的氧来自二氧化碳，那是错误的。

鲁宾和他的同事试图通过用放射性同位素碳-11（当时知道的

惟一放射性碳）标记二氧化碳的方法，来追踪二氧化碳在植物里的

命运。但这个尝试没有成功。一则碳

-11的半衰期只有

20.5分

钟；二则他们当时还没有能够快速而彻底地分离植物里单个化合

物的方法。

但是，

20世纪

40年代初期，他们有了必要的工具。鲁宾和卡

门发现了长寿命的放射性同位素碳-14，这样就可以通过一系列的

反应来追踪碳。同时，纸色谱法的发展为简易而彻底地分离复杂

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

的混合物提供了一种手段。（实际上，放射性同位素可以使纸色谱

法得到很好的改进；纸上表示示踪剂存在的放射性斑点，会使放在

它下面的底片产生黑点，因此，色谱图就能拍下自己的照片，这种

技术叫做放射自显影。）

第二次世界大战以后，由美国生物化学家卡尔文领导的另一

个小组接着进行研究。它们把微小的单细胞植物（小球藻）在含有

碳-14的二氧化碳里暴露一小段时间，为的是让它只进行最初阶

段的光合作用。然后他们把这些植物细胞捣碎，在色谱图上把它

们的物质分离，并进行放射自显影。

他们发现，即使这些细胞在有标记的二氧化碳中仅暴露112

分钟，放射性碳原子就会在细胞内

15种不同的物质中出现。通过

缩短暴露的时间，吸收放射性碳的物质的数目减少了。最后他们

断定，细胞吸收二氧化碳的碳

-14而形成的第一种（或接近第一

种）化合物是磷酸甘油。（他们从未探测到任何甲醛，因此，那个延

续了多年的甲醛学说便悄悄地从画面上消失了。）

磷酸甘油是一种三碳化合物。很明显，它一定是通过迂回的

途径形成的，因为找不到在它前面的一碳或二碳化合物。他们还

找到了两种其他含有磷酸基的化合物，它们都能在极短的时间内

吸收带有标记的碳。它们是两种糖：二磷酸核酮糖（一种五碳化合

物）和磷酸景天庚酮糖（一种七碳化合物）。研究者鉴定了催化这

些糖有关反应的酶，并研究了那些反应，最后弄清了二氧化碳分子

的行径。

首先，把二氧化碳加入五碳的二磷酸核酮糖，形成一种六碳化

合物。这种化合物很快分裂成两个，成为三碳的磷酸甘油；紧接

着，有关磷酸景天庚酮糖和其他化合物的一系列反应把磷酸甘油

聚合在一起，形成六碳的磷酸葡萄糖；同时，二磷酸核酮糖再生了，

又吸收另一个二氧化碳分子。人们可以想象，六个这样的循环在

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不停地运转着。每转一周，每一个循环提供一个碳原子（来自二氧

化碳），利用这些碳原子合成一个磷酸葡萄糖分子。六个循环再转

一周，又生产出另一个磷酸葡萄糖分子，如此反复进行。

从能量的观点来看，这种循环与柠檬酸循环正好相反。柠檬

酸循环把碳水化合物的片段转换分解成二氧化碳，而二磷酸核酮

糖循环用二氧化碳合成碳水化合物。柠檬酸循环给生物体输送能

量；二磷酸核酮糖循环正好相反，它必须消耗能量。

至此正好与鲁宾和卡门早期研究的结果相符。由于叶绿素的

催化作用，可以利用日光能把水分子分解成氢和氧，这个过程叫做

光解（源自希腊语，意思是“由光解开”）。这是日光的辐射能转变

成化学能的方式，因为氢分子和氧分子含有的化学能大于分解成

它们的水分子所含的化学能。

在其他情况下，要把水分子分解成氢和氧需要大量的能量，例

如，要把水加热到大约

2 000℃或让强电流从水中通过。但是叶绿

素在一般的温度下很容易做到这一点，它所需要的只是可见光的

比较微弱的能量。植物利用它吸收的光能，效率至少为

30%，有

些研究者认为，在理想的条件下，它的效率可以接近

100%。如果

人类能够像植物那样有效地利用能量的话，我们就大可不必担心

我们的食物和能量的供应了。

水分子分解以后，有一半的氢原子进入二磷酸核酮糖循环，有

一半的氧原子被释放到空气中，其余的氢原子和氧原子重新化合

成水。在化合的过程中，它们释放出阳光分解水分子的时候给予

它们的多余的能量，而这种能量又被转移给像

ATP那样的高能磷

酸化合物，储存在这些化合物里的能量又被用来推动二磷酸核酮

糖循环。由于在破译有关光合作用中的反应方面的贡献，卡尔文

获得

1961年的诺贝尔化学奖。

的确，有些生命形态不依靠叶绿素来获得能量。

1880年前

第十二章 蛋白质

第十二章 蛋白质

后，人们发现了化能自养菌：在黑暗中吸收二氧化碳但不释放氧的

细菌。这些细菌有的靠氧化硫化合物取得能量，有的靠氧化铁化

合物，还有的喜欢其他一些古怪的化学行为。

然而也有一些细菌含有类似于叶绿素的化合物（细菌叶绿

素），因而使这些细菌能够利用光能把二氧化碳转变成有机化合

物。在某些情况下，细菌叶绿素甚至能够利用近红外区的光能，而

一般的叶绿素却无能为力。但是，只有叶绿素本身才能使水分解，

并把这样得到的大量能量储存下来；细菌叶绿素的“设备”能力就

小得多，只能凑合着生活。

除了由叶绿素利用阳光获得基本能量以外，其他任何获得基

本能量的方法都必定是行不通的；比细菌复杂的生物，只是在非常

罕见和特殊的情况下，才有成功地利用这些方法的可能性。对于

几乎所有的生命来说，叶绿素和光合作用都直接或间接地是生命

的基础。

（王爱琴 译）

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第十三章 细 胞

染 色 体

直到近代人类对自己身体的情况一直知之甚少，这实在令人

难以置信。实际上，只是在大约 300年前，人类才知道了血液循

环；只是在最近 50多年中，人类才发现了许多器官的功能。

史前人类从切割动物以便烹煮和用香料处理死者以备来世的

经历中，了解到人有脑、肝、心、肺、胃、肠和肾等主要器官。在预卜

未来和猜测神意的仪式上，经常使用动物的内脏（特别是肝）作为

祭礼，这样就进一步增强了对这些器官的认识。埃及人用文字正

确地记载了这些手术技术，表明当时对身体的结构已经相当熟悉，

这可以追溯到公元前 2000年以前。

古希腊人为了了解解剖学的知识，甚至解剖动物，有时也解剖

人的尸体。他们做了一些难度很大的手术。大约在公元前 500年，

科罗顿的阿尔克美翁首次描述了视神经和耳咽管。两个世纪以后，

在埃及的亚历山大城（当时是世界的科学中心），希罗菲卢斯和他的

学生埃拉西斯特拉图斯成功地开办了一所希腊解剖学校。他们研

究脑的各个部分，把脑分为大脑和小脑，同时也研究神经和血管。

古代的解剖学在加伦时期达到了顶峰。加伦是一位希腊医生，

第二世纪后半叶在罗马行医。加伦提出的关于身体功能的学说，在

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

其后的

1500年中一直被奉为金科玉律。但是他的有关人体的概念

充满了荒谬的错误——这是可以理解的，因为古代人是从解剖动物

中得到他们的大部分资料的。各种禁忌使人们不敢解剖人体。

早期的基督教作家攻击异教的希腊人，指责他们残忍无情，拿

人做活体解剖。但是对这种记载人们是有争议的。人们不仅怀疑

希腊人真的对人做过活体解剖，而且很明显他们对尸体的解剖也

很不够，因而没有学到多少人体解剖学的知识。无论如何，由于教

会反对解剖，使解剖学的研究在整个中世纪完全停顿下来。在这

段历史时期接近结束的时候，解剖学在意大利开始再度兴起。

1316年，意大利解剖学家蒙迪诺写了第一本专门论述解剖学的著

作，因此他以“解剖学的复兴者”而名扬天下。

文艺复兴时期对自然艺术的兴趣也促进了解剖学的研究。在

15世纪，列奥纳多·达·芬奇做了一些解剖，从中发现了解剖学的

一些新事实，并用天才的艺术能力把这些事实绘画下来。他画出

了脊柱的两个弯曲以及穿过面部和额部骨头的窦。他根据自己的

研究推导出的生理学理论比加伦的理论进步多了。虽然列奥纳

多·达·芬奇在文艺上和科学上都是一个天才，但是在当时他对科

学思想的影响并不大。不知道是由于本心不愿意还是由于谨慎，

他所有的科学研究成果都没有发表，而收藏在秘密的记事本里，直

到他的记事本最终出版发行，后人才发现他在科学上的成就。

法国医生费尔奈尔是近代第一个把解剖当作医生的重要职责

的人。1542年，他出版了一本关于解剖的书。但是，第二年又有

一部更伟大的著作问世，使他的著作几乎完全失去了光彩。这就

是著名的维萨里的《人体结构》。维萨里是比利时人，但他的大部

分研究工作是在意大利进行的。根据“要正确地了解人类就要对

人进行研究”的理论，维萨里解剖了人体，从而纠正了加伦的许多

错误。书中的人体解剖图被认为是艺术家提香的学生范卡尔卡所

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画，不但十分漂亮而且非常精确，直到今天人们仍在翻印，而且将

永远作为经典。维萨里可以说是近代解剖学之父。他的《人体结

构》和同年出版的哥白尼的《天体运行论》一样具有革命性。

正如伽利略使哥白尼引发的革命获得成果那样，维萨里开始

的革命也在哈维的重要发现中走向成熟。哈维是一位英国医生和

实验家，他与伽利略以及磁学实验家吉伯是同一时代的人。哈维

对体内的重要液体——血液特别感兴趣。血液在体内究竟干了些

什么呢？

当时已经知道有两套血管：静脉和动脉。（“动脉”一词是公元

前

3世纪一位名叫普拉哈高拉斯的希腊医生提出来的。这个词源

自希腊语，意思是“我携带空气”，因为这些血管在尸体内是空的。

加伦后来证明，动脉在活体内的功能是运送血液。）当时还知道心

跳驱使血液作某种运动，因为当切断动脉时，血液喷出的节奏和心

跳是一致的。

加伦曾提出，血液在血管里来回交替流动，先以一个方向流经

全身，再以相反的方向流回。根据这个理论，他必须解释清楚血液

的来回流动为什么不被心脏两半之间的间壁所阻挡。加伦的答案

很简单，他认为间壁上有许多看不见的小孔，可以让血液通过。

哈维对心脏进行了更仔细的观察。他发现，心脏的每一半都

分成两个腔，中间由一个单向的瓣膜隔开，血液只能从上面的腔

（心房）流入下面的腔（心室），但不能倒流。换句话说，进入一个心

房的血液可以泵入相应的心室，再从心室流入引出的血管，但不能

朝相反的方向流动。

后来哈维做了一些简单但非常明确的实验，来确定血管中血

流的方向。他把活动物的一根动脉或一根静脉结扎起来，观察在

结扎的哪一侧血管的血压会升高。他发现，当他使一根动脉停止

流动时，总是心脏和结扎处之间的血管膨胀起来，因此，动脉里的

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

血液一定是从心脏方向流出来的；当他结扎的是一根静脉时，膨胀

的血管总是在结扎处的另一侧，所以，静脉里的血液一定是流向心

脏的。还有一个事实可以进一步证明静脉血液的这种单向流动，

这就是较大的静脉含有阻止血液流离心脏的瓣膜。这个机制是哈

维的老师意大利解剖学家

H. 法布里齐乌斯发现的。但是，在加

伦传统的压抑下，他拒绝作出必然的结论，而把荣誉留给了他的英

国学生。

哈维继续用定量的方法测量血流（这是人们第一次用数学来

解决生物学的问题）。他的测量表明，心脏泵出血液的速率是：

20

分钟的泵出量相当于体内所含血液的总量。如果认为身体能够以

这样的速率制造新血液或消耗旧血液，这似乎是不合理的。因此，

合理的结论是，血液一定是在体内反复循环着。因为血液在动脉

内流离心脏，而在静脉内流向心脏，所以哈维断定，血液由心脏泵

入动脉，然后由动脉流入静脉，再由静脉流回心脏，接着心脏又把

血液泵入动脉，如此循环不已。换句话说，血液通过心脏-血管系

统连续不断地单向循环着。

包括列奥纳多·达·芬奇在内的早期解剖学家，曾经提示过这

种想法，但哈维是第一个详细地论述和研究这个学说的人。他把

他的推理和实验发表在一本印刷质量很差的小册子里，书名为《动

物心血运动的研究》。这本书于

1628年出版，从那时以来，一直被

认为是一部伟大的科学经典著作。

哈维的著作中没有解决的一个主要问题是：血液是怎样由动

脉进入静脉的？哈维认为，这两者一定是由某种血管连接着，尽管

这些血管很小，肉眼看不见。这使人回想起加伦关于心脏间壁上

有小孔的学说，不过加伦所说的这种小孔永远也找不到，因为根本

就不存在，而哈维所说的“连接血管”则在显微镜出现后就被证实

了。1661年，仅在哈维去世后的第四年，一位名叫马尔皮基的意

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大利医生用原始的显微镜观察一只青蛙的肺组织，发现确实有连

接动脉和静脉的微小血管。马尔皮基将这些血管命名为毛细血

图 13-1循环系统

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

管，源自拉丁语，意为“毛发状”。（关于循环系统，见图

13-1。）

利用显微镜还能够看到其他一些细微结构。荷兰博物学家斯

旺默丹发现了红血球，而荷兰解剖学家

R. 格拉夫在动物卵巢内

发现了微小的卵泡。像昆虫这样的小生物也可以仔细地研究了。

如此详细的研究促使人们把一种生物的结构与其他种生物的

结构进行细心的比较。英国植物学家格鲁是第一个有名望的比较

解剖学家，1675年，他公布了比较各种树木的树干结构的研究成

果；1681年，又发表了比较各种动物的胃的研究成果。

细胞学说

显微镜的出现事实上把生物学家引导到了生物组织的一个更

为基本的水平；在这个水平上，所有一般的结构都可以归纳到一个

共同的起源。1665年，英国科学家

R. 胡克利用自己设计的复式

显微镜，发现软木是由许多极其微小的“房间”构成的，就像特级的

海绵。他把这些小孔叫做细胞，并把它们比喻为修道院里的小房

间。后来其他显微镜学家在活组织里也发现了类似的细胞，但里

面充满液体。

在以后的

150年中，生物学家逐渐明白，所有的生物都是由细

胞构成的，而每个细胞都是一个独立的生命单位。有些形式的生

命，如某些微生物，只由一个细胞构成；较大的生物体则是由许多

互相合作的细胞组成的。法国生理学家迪特罗谢是最早提出这种

看法的人之一。他的报告于

1824年发表，但没有引起人们的注

意；直到德国的施莱登和施万在

1838年和

1839年分别发表论文

后，细胞学说才开始受到重视。

1839年，捷克生理学家普尔金耶把某些细胞内充满的胶状液

体称为原生质（“生命的原始物质”），而德国植物学家莫尔延伸了

这个词的含义，用它表示所有细胞的内含物。德国解剖学家舒尔

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策强调原生质是“生命的物质基础”，并证明不论是多么简单还是

多么复杂的动植物，所有细胞里的原生质基本上是相似的。

细胞学说对生物学的重要性如同原子学说对化学和物理学一

样。1860年前后，德国病理学家菲尔绍用一句简明的拉丁语宣

称：“一切细胞都来自细胞。 ”他证明，病变组织中的细胞是由原先

的正常细胞分裂而产生出来的。这样，细胞在生命进程中的重要

性便得到了证实。

那时事情已经清楚，各种生物（即使是最大的生物）的生命都

是由一个单细胞开始的。最早的显微镜学家之一哈姆（列文虎克

的助手）在精液里发现了后来被命名为精子的小体。更晚一些时

候，1827年，德国生理学家 K. 贝尔也发现了哺乳动物的卵（见图

13-2）。于是，生物学家们开始认识到，一个卵和一个精子结合形

成受精卵，受精卵经过反复分裂，最后发育成动物。

图 13-2人的卵细胞和精子细胞

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

大生物的细胞并不比小生物的大，它们只是具有比较多的细

胞。这些细胞依然很小，几乎都要用显微镜才能看到。典型的植

物或动物细胞直径为

5～40微米，而人的眼睛只能勉强分辨出直

径在

100微米以上的东西。

虽然细胞这么微小，但绝不是毫无特征的原生质小滴。仅在

19世纪，人们就逐渐认识到，细胞有着复杂的亚结构。为了解决

许多与生命有关的问题，生物学家们必须研究这些亚结构。

例如，既然生物是通过其组成细胞的增殖而生长的，那么，细

胞是怎样分裂的呢？答案在细胞里面由比较致密的物质组成的一

个小球上，小球的体积大约是细胞的

1/10。1831年，布朗（布朗运

动的发现者）第一次报告发现了这种小球并命名为核。（为了与原

子的核区别开来，下面我将称之为细胞核。）

如果把一个单细胞生物分成两半，使其中的一半含有完整的

细胞核，含有细胞核的一半能够生长和分裂，而另一半则不能。

（后来还发现，哺乳动物的红血球没有核，寿命很短，而且既不能生

长也不能分裂。因此，不把它们当做真正的细胞，通常称之为血

球。）

遗憾的是，由于细胞略带透明，不容易看清其亚结构，因此对

细胞核和分裂机制的进一步研究停顿了很长一段时间。后来发现

某些染料可以给细胞的一些部分染色，而不给其他部分染色，这种

情况才得到改善。有一种叫做苏木精（得自苏木）的染料能够把细

胞核染黑，使它在细胞的背景上清晰地显现出来。在珀金和其他

化学家开始制造合成染料以后，生物学家便有了多种可供选择的

染料。

1879年，德国生物学家弗勒明发现，用某种红色染料可以把

分布在细胞核内的一种小颗粒状的特殊物质染上色。他称这种物

质为染色质（源自希腊语，意为“颜色”）。通过对这种物质的观察，

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弗勒明了解到细胞分裂过程中的一些变化。当然，在染色时染料

会杀死细胞，但是在一片组织上，他可以发现处在细胞分裂的不同

阶段的各种细胞。他把这些细胞作为静止的画面，按照适当的顺

序排在一起，形成一种细胞分裂过程的“动画片”。

1882年，弗勒明出版了一本详细描述细胞分裂过程的重要著

作。细胞开始分裂时，染色质聚集成线状，包着细胞核的薄膜似乎

被溶解，同时，就在细胞核外面的一个小物体分成了两个。弗勒明

称这个小物体为星体（源自希腊语，意为“星”），因为四下辐射的线

使它看上去像是一颗星。星体分开后，两半在细胞内朝着相反的

图 13-3细胞的有丝分裂

第十三章 细 胞

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方向移动；星体拖带的细丝和这时已经排列在细胞中心的染色质

细丝显然纠缠在一起；星体把染色质细丝的一半拉到细胞的一侧，

一半拉到另一侧；结果，细胞从中间断开，分裂成两个细胞；而后，

每个细胞里又形成一个细胞核，被细胞核膜包着的染色质又分解

成微粒（见图

13-3）。

弗勒明把这种细胞分裂过程叫做有丝分裂，因为染色质丝在

分裂过程中起了重要作用。1888年，德国解剖学家瓦尔德尔把这

种染色质丝命名为染色体（源自希腊语，意为“有色的物体”），这个

名字一直沿用至今。但是，值得一提的是，尽管它们叫染色体，它

们在不染色的自然状态下是无色的，和背景非常相似，当然就很难

分辨出来了。（虽然如此，早在

1848年，德国业余植物学家霍夫迈

斯特就隐约地看到花细胞里的染色体。）

对染色的细胞继续进行的观察表明，每一种植物或动物的细

胞都含有特定数目的染色体。在有丝分裂过程中，细胞未分裂成

两个以前，染色体的数目先加倍，因此，分裂后的两个子细胞各自

含有与原来的母细胞相同数目的染色体。

比利时胚胎学家范贝内登

1885年发现，卵细胞和精子细胞形

成时，染色体的数目并不加倍，因此，每个卵和每个精子细胞只有

生物正常细胞内染色体数目的一半。（所以，产生精子细胞和卵细

胞的细胞分裂叫做减数分裂。）可是，当卵和精子细胞结合后，这个

结合体（受精卵）就有了一整套染色体，一半来自母亲的卵细胞，一

半来自父亲的精子细胞。这一整套染色体再通过正常的有丝分裂

传递给由这个受精卵发育起来的生物体的所有细胞。

虽然利用染料能够看到染色体，但是要看到它们当中的个别

染色体还是不容易，在通常的情况下它们看上去像是一团短粗的

面条。所以，在很长一段时间里，人们误以为每个人体细胞含有

24对染色体。直到

1956年，经过对这些细胞的更仔细的计算，证

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明正确的数目应该是

23对。

庆幸的是，这个问题不再存在了。已经发明了一种新技术，以

适当的方法用低浓度的盐水对细胞进行处理，使细胞胀大，里面的

染色体因而散开，然后把它们拍摄下来，再把照片切成许多段，每

一段含有一个单独的染色体。如果把这些染色体配成对，再按照

逐渐缩短的顺序排列起来，这样就会得到核型，即细胞内连续编号

的染色体的图像。

核型为医疗诊断提供了一种精巧的方法，因为染色体的分离

并不总是完美无缺的。在细胞分裂过程中，染色体可能被损伤甚

至断裂；有时染色体的分离可能不均匀，因而使一个子细胞多得到

一个染色体，而另一个子细胞少得一个。这些异常分裂必定会损

害细胞的功能，甚至常常使细胞完全丧失功能。（正是这种缺陷使

有丝分裂非常准确地进行着——实际上分裂过程并不像看上去那

么准确，而是把错误掩盖起来了。）在减数分裂过程中如果发生这

些缺陷后果就会特别可怕，因为此时在染色体组中会产生有缺陷

的卵细胞或精子细胞。如果一个生物能够从这样一个有缺陷的起

点开始发育（一般是不能发育的），则其体内的每个细胞都会有缺

陷：结果会造成严重的先天性疾病。

在这类疾病中，最常见的一种是严重的智力低下，叫做唐恩综

合征（因为英国医生唐恩

1886年首次描述了这种病），每

1 000个

婴儿中就有

1个患这种病。

这种病的更通俗的名称是蒙古型痴呆（先天愚型），因为它的

症状之一是眼睛朝眼睑斜吊，类似一些东亚人内眦赘皮的褶皱。

这种病在亚洲人中并不比其他地区的人中多，所以这个名称并不

适当。

直到

1959年，人们才发现引起唐恩综合征的原因。那一年，

三位法国遗传学家勒热纳、戈蒂埃和蒂尔潘计算三个病人细胞里

第十三章 细 胞

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的染色体，发现每个病人细胞里都有

47个染色体，而不是

46个。

原来错误发生在第

21对染色体上，它拥有

3个染色体。后来，

1967年，又找到了和这种病相对应的一个病例，发现一个智力低

下的

3岁女孩只有一个第

21号染色体。她是第一个被发现缺少

一个染色体的活人。

这种涉及其他染色体的病例似乎很少见，但现在已经发现。

患有一种特殊型白血病的病人，在他们的细胞里显示出一小段多

余的染色体片段，称为费城染色体，因为是在费城医院住院的一位

病人身上首次查出这种染色体的。一般来说，在某些不常见的疾

病中，断裂的染色体出现的次数比正常情况多。

无性生殖

由含有一半父源染色体和一半母源染色体的受精卵发育形成

新个体的过程叫有性生殖。人和复杂程度大体上相当于人的生物

都是有性生殖。

不过，也可能发生无性生殖，新的个体只含有单一亲代的一套

染色体。例如，一个单细胞生物分裂为二，形成两个独立的细胞，

每个细胞都含有和原细胞相同的一套染色体。

无性生殖在植物界也非常普遍：把某种树木的树枝插进地里

便会发根生长，长成和被剪枝的树木完全相同的树木；也可以把树

枝嫁接在另一棵树（有时是不同种类的树）的枝杈上，它也能长得

很旺盛。这种树枝叫做克隆（源自希腊语“树枝”），现在用这个术

语来表示任何无性起源的单亲生物。

多细胞动物也会发生无性生殖。动物越原始，即其细胞的变

异和特化越少，越容易发生无性生殖。

海绵、淡水水螅、扁虫或海星，都能分裂成好几块，如果把它们

置于正常的环境下，每一块都能长成一个完整的生物。这些新生

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物即可视为克隆。

甚至像昆虫那样复杂的生物，有时也能生出单亲子代，例如蚜

虫就是这样繁殖后代的。在这种情况下，一个只含有半套染色体

的未受精的卵细胞，不需要精子细胞就可以繁殖。卵细胞的半套

染色体只是自行复制，便会产生一整套完全源自母亲的染色体，然

后卵细胞进行分裂，成为一个独立的生物，这也是一种克隆。

但是，一般而言，复杂动物的生殖是绝对有性的，不会自然发生

任何形式的无性生殖。不过人的干预可以使脊椎动物发生克隆。

总之，一个受精卵能产生一个完整的生物体，而且当受精卵分

裂和再分裂后，每个新细胞都含有与原细胞内相同的一整套染

色体。

如果将新细胞分离并置于可以使受精卵发育的条件下，每个

新细胞为什么不具有产生一个新个体的能力呢？这大概是因为，

在受精卵分裂和再分裂过程中，新细胞分化为各种组织细胞，如肝

细胞、皮肤细胞、神经细胞、肌肉细胞、肾细胞等等，每种细胞都具

有与其他种细胞完全不同的功能，而且大概是染色体发生了微妙

的变化才引起这种分化。正是这些微妙的变化使已分化的细胞不

能从头开始和形成一个新的个体。

但是，染色体的变化是永久的和不可逆的吗？如果让这些已

分化的染色体回到原来的环境中又会如何呢？例如，假设我们得

到某种动物的一个未受精的卵细胞，小心翼翼地将细胞核移去，然

后从那种动物成体身上取出一个皮肤细胞的核，置入那个卵细胞

内。在卵细胞的影响下（目的是促进成体的生长），皮肤细胞核内

的染色体是否会受到“青春之泉”的作用而恢复它们原来的功能

呢？以这种方式“受精”的卵能够发育成一个含有与被使用皮肤细

胞的个体的整套染色体完全相同的新个体吗？这样得到的新个体

不就是献出皮肤细胞的动物的克隆吗？

第十三章 细 胞

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当然，在一个细胞内移去和代换细胞核是一种难度极大的手

术，但是 1952年美国生物学家 R. W. 布里格斯和 T. J.金成功地

完成了这种手术。他们的成功标志着细胞核移植技术的开端。

1967年，英国生物学家格登成功地将一种南非爪蟾的肠细胞

的核移植到同种爪蟾的未受精卵中，由那个卵发育成了一个完全

正常的新爪蟾——第一个克隆。

要在爬行类和鸟类身上使用这种技术是非常困难的，因为它

们的卵细胞包在硬壳里面，因此，为了移入细胞核而用某种方法把

壳弄破后，必须保持卵细胞的存活和功能。

哺乳动物的卵细胞又如何呢？这些细胞是裸露的，但保存在

母体内；它们特别小而且特别脆弱，因此必须有更精细的显微外科

的技术。

然而，细胞核移植技术已经成功地应用在小白鼠身上；而且，

原则上讲，克隆可以应用于包括人类在内的所有哺乳动物。

基 因

孟德尔学说

在 19世纪 60年代，一位名叫孟德尔的奥地利修道士，尽管忙

于修道院的事务，无暇顾及生物学家对细胞分裂的激情，依然在自

己的花园里默默地进行着一些实验，以便最终弄清染色体的意义。

孟德尔是一位业余植物学家，他对各种性状的杂交豌豆的结果特

别感兴趣。他观察的高明之处在于，每次只研究一种明显确定的

性状。

他把种子颜色不同（绿色或黄色）的豌豆杂交，或者把种皮光

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滑的豌豆与种皮皱缩的豌豆杂交，或者把高茎的豌豆与矮茎的豌

豆杂交，然后观察下一代植株的结果。孟德尔坚持对观察结果进

行仔细的统计记录。他的结论可以主要概括如下：

1. 每个性状都是由遗传因子所决定的，这些遗传因子（在孟

德尔研究的例子中）可以是两种中的一种。例如，一种负责种子颜

色的遗传因子会使种子成为绿色；另一种会使种子成为黄色。（为

了方便起见，让我们使用现在通用的术语吧。这些遗传因子现在

叫做基因，是丹麦生物学家约翰森

1909年提出来的。决定一个给

定性状的不同基因叫做等位基因，因此，种子颜色基因具有两个等

位基因，一个使种子呈绿色，另一个使种子呈黄色。）

2. 所有植株的每个性状都是由两个基因决定的，一个来自母

本，另一个来自父本。植株把两者之一传给生殖细胞，因此，当两

个植株的生殖细胞通过受粉结合以后，子代再度拥有决定这个性

状的两个基因。这两个基因可能是相同的，也可能是等位基因。

3. 当两个亲本植株传给子代的某种基因是等位基因时，一个

等位基因可能会压抑另一个等位基因的作用。例如，如果产生黄

色种子的植株和产生绿色种子的植株杂交，下一代所有的植株都

产生黄色的种子，那么，种子颜色基因中的黄色等位基因是显性，

绿色等位基因是隐性。

4. 尽管如此，隐性等位基因并没有被破坏。在刚才举的那个

例子中，绿色等位基因依然存在，虽然没有产生可以看见的效果。

如果含有混合基因（即每株都有一个黄色和一个绿色的等位基因）

的两个植株杂交，有些子代在受精卵里可能含有两个绿色等位基

因；假使是这样的话，这些特殊的子代就会产生绿色的种子，而且

子代的子代也会产生绿色的种子。孟德尔指出，源自杂种亲本（父

本和母本各自具有一个黄色和一个绿色等位基因）的等位基因有

4种可能的组合方式：第一种是，父本的一个黄色等位基因和母本

第十三章 细 胞

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的一个黄色等位基因组合；第二种是，父本的一个黄色等位基因和

母本的一个绿色等位基因组合；第三种是，父本的一个绿色等位基

因和母本的一个黄色等位基因组合；第四种是，父本的一个绿色等

位基因和母本的一个绿色等位基因组合。在这

4种组合中，只有

最后一种所产生的植株能长出绿色的种子。如果这

4种组合发生

的概率相等，则新一代应该有

1/4的植株产生绿色的种子——孟

德尔发现确实如此。

5. 孟德尔还发现，不同性状（例如种子的颜色和花的颜色）的

遗传是互不相关的，就是说，黄色的种子和绿色的种子都可能开红

花，也都可能开白花。

孟德尔在

19世纪

60年代初期就完成了这些实验，并把实验

的结果写成了论文。他把论文的副本寄给了当时颇负盛名的瑞士

植物学家内格里。内格里的答复是否定的。显然，内格里特别爱

好那些包罗万象的理论（他自己的理论著作就显得玄虚和华而不

实），他认为只数数豌豆对通向真理之路不会有什么价值，何况孟

德尔只不过是一个不知名的业余爱好者。

孟德尔好像被内格里的评论弄得失去了信心，因为他又回头

专心于修道院的事务。他渐渐发胖（后来胖得在花园里无法弯

腰），从而放弃了他的研究。不过，

1866年，他仍在奥地利一家地

方性的杂志上发表了他的论文。在一代人的时间里，他的论文没

有再引起人们的注意。

然而，其他科学家逐渐得到的结论和孟德尔已经取得的结论

完全相同（尽管他们不知道孟德尔）。使他们对遗传学发生兴趣的

原因之一是对突变的研究，即对一直被认为是不祥之兆的畸形动

物和怪物的研究。

1791年，美国马萨诸塞州的一位叫赖特的农

民，对他的羊群中出现的一只畸形羊采用了更加实用的观点。当

时有一只羊生下来腿就特别短，这使那个精明的美国农民想到，短

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腿的羊不能逃出他农场周围低矮的石头围墙。因此，从那个幸运

的意外事件开始，他有意地培育了一种短腿羊。

这个实际的示范激发其他人也去寻找有用的突变。到

19世

纪末，美国园艺学家伯班克成功地培育出数百种新的植物品种，都

在某一方面比老的品种有所改良。这不仅靠突变，而且靠精心的

杂交和嫁接。

同时，植物学家也试图寻找对突变的解释。这可能是科学史

上最令人惊奇的一次巧合，至少有三个人在同一年里各自独立地

得出和孟德尔在一代人以前得出的结论完全相同的结论。这三个

人是荷兰的德弗里斯、德国的科伦斯和奥地利的切尔马克·封·赛

塞内格。他们都不知道对方的研究，也不知道孟德尔的研究，都准

备于

1900年发表自己的报告。在最后一次核对这个领域以前的

文献时，三人都非常惊讶地发现了孟德尔的论文。三人仍于

1900

年发表了各自的报告，每个人都提到了孟德尔的论文，把发现的荣

誉完全让给孟德尔，而他们自己的工作只是作为证实。

基因的遗传

一些生物学家立即看出，孟德尔的基因和显微镜下看到的染

色体之间有联系。第一个把二者相提并论的是美国细胞学家萨

顿。他在

1904年指出，染色体和基因一样成对出现，一个来自父

本，另一个来自母本。这个比拟的惟一麻烦是，任何生物体细胞中

染色体的数目远远小于遗传性状的数目，例如，人只有

23对染色

体，但肯定具有上千种遗传性状。因此生物学家们不得不得出这

样的结论：染色体不是基因。每个染色体必定是许多基因的集合。

不久，生物学家们发现了一种研究特定基因的绝好工具，它不

是一种物理仪器，而是一种新的实验动物。

1906年，在开始时曾

怀疑过孟德尔学说的哥伦比亚大学动物学家摩尔根，想出了利用

第十三章 细 胞

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果蝇进行遗传学研究的计划。（遗传学一词是英国生物学家贝特

森 1902年创造的。）

比起豌豆来（或任何一般的实验动物），用果蝇来研究基因遗

传有很多优点：果蝇繁殖得快而且多，用很少的食物便能够轻易地

饲养数百只；它们有几十种容易观察到的性状；它们的染色体组成

也比较简单——每个细胞只有 4对染色体。

摩尔根和他的同事们利用果蝇发现了一个关于性别遗传机制

的重要事实。他们发现，雌果蝇有 4对完全配合的染色体，卵细胞

从每对中得到一个，因此，就染色体的组成来说，所有的卵细胞都

完全相同。而在雄果蝇中， 4对染色体的每一对都由一个正常的

染色体（叫做 X染色体）和一个发育不全的染色体（叫做 Y染色

体）所组成。因此，当形成精子细胞时，一半具有 X染色体，另一

半具有 Y染色体。当一个具有 X染色体的精子细胞使一个卵细

胞受精时，受精卵具有 4对配合的染色体，自然发育成一个雌果

蝇。相反，如果是一个具有 Y染色体的精子细胞，就会发育成一

个雄果蝇。由于两种情况发生的概率相等，所以在有代表性的生

物种类中，雌雄的数目大致相等（见图 13-4）。（在某些生物中，

图 13-4X和 Y染色体的组合

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尤其是鸟类，具有

Y染色体的是雌性。）

这种染色体的差别说明了为什么一些疾病或突变只发生在雄

性身上。如果一个有缺陷的基因发生在一对

X染色体的一个上

面，这一对中的另一个可能是正常的，因而仍能补救这种情况。但

是，在雄性方面，如果一个有缺陷的

X染色体和一个

Y染色体配

成一对，这种情况一般是无法补救的，因为

Y染色体只带有极少

的基因，因此缺陷就显现出来了。

这种伴性疾病的最著名的例子是血友病，一种血液很难凝集

的病症。血友病患者终身都有因轻微创伤而流血不止或内部出血

极端痛苦的危险。一个妇女如果在她的一个

X染色体上有一个

会产生血友病的基因，很可能在另一个染色体的相同位置上有一

个正常基因。所以，她表现不出病来。但她将是一个带基因者。

在她形成的卵细胞中，有一半将带有正常的

X染色体，另一半带

有血友病

X染色体。如果这个带有不正常的

X染色体的卵和一

个正常男子的带

X染色体的精子结合，结果会生育一个女孩，她

虽然不是血友病患者，但仍是一个带基因者；如果这个卵和一个正

常男子的带

Y染色体的精子结合，由于卵细胞里的血友病基因无

法被

Y染色体抵消，所以生育出来的是一个患血友病的男孩。根

据概率，血友病带基因者的儿子，有半数是血友病患者；女儿有半

数是带基因者。

历史上最著名的血友病带基因者是英国的维多利亚女王。她

的

4个儿子中只有大儿子利奥波德是血友病患者。而爱德华七世

（后来英国的君主就是由他传下来的）不带此病，所以现在英国皇

室里没有血友病。不过，维多利亚的两个女儿都是带基因者。其

中之一生了一个女儿（也是带基因者），后来嫁给了俄国沙皇尼古

拉二世，结果，他们惟一的儿子是血友病患者。这种情况促进了俄

国和世界历史的转变，因为尼古拉二世患了血友病，致使拉斯普廷

第十三章 细 胞

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神父在俄国掌权，进一步引起人民的不满，最终导致革命。维多利

亚的另一个女儿也生了一个女儿（也是个带基因者），后来嫁到西

班牙皇室，在那里也造成了血友病。因为血友病出现在西班牙的

波旁家族和俄国的罗曼诺夫王朝，所以血友病有时也称为皇室病。

但是除了维多利亚的不幸外，血友病和皇室并没有特殊的关系。

色盲是一种比较轻的伴性疾病，男性患者远比女性多。实际

上，缺少一个

X染色体通常可能造成男性严重虚弱的现象，正好

有助于说明女性被

X染色体保护的事实：妇女生孩子能够免于感

染；她们的平均寿命比男性多

3～7年。那个第

23对完整的染色

体在某种程度上使女性比男性更健康。（近年来，有人提出，男人

的寿限比较短是因为吸烟所致，现在女人吸烟者增多，男人吸烟者

减少，所以女性死亡率正在赶上来。）

尽管

X染色体属于最长的染色体，但是

X和

Y染色体却被随

意地排在核型的末尾。显然染色体异常的情况在性染色体中比在

其他染色体中更常见。原因可能不是因为性染色体最容易发生异

常的有丝分裂，而大概是因为性染色体异常不大容易致命，所以带

有这些异常染色体的小孩出生的较多。

最引人注意的一种染色体异常就是在男性的细胞里最后多出

了一个

Y染色体，所以可以说他是

XYY型。后来发现，

XYY型

的男性很难管理。他们身高体壮，聪明机警，但他们都具有容易激

动和粗暴的特征。

1966年在芝加哥杀死

8名护士的斯佩克被认

为是个

XYY型的人。1968年

10月，在澳大利亚一个杀人犯被宣

判无罪，因为他是个

XYY型的人，因此不必对自己的行为负责。

苏格兰某监狱里将近

4%的男囚犯被证明是

XYY型的。有些估

计认为，每

3 000个男性中就有

1人发生

XYY组合。

人们认为应该给每个人进行染色体检查，当然也要给婴儿做

检查，似乎是有一定道理的。但是正像其他事情一样，理论上很简

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单，做起来却很复杂，现在正在试图使这个过程计算机化。

染色体互换

对果蝇的研究表明，性状并不一定都像孟德尔所认为的那样

是独立地遗传的。他所研究的豌豆植株的 7种性状，碰巧是由单

独染色体的基因控制的。摩尔根发现，控制两个不同性状的两个

基因如果位于同一个染色体上，那么，这两个性状通常会一起遗传

（正像汽车前座的一位旅客和后座的一位旅客一起旅行一样）。

但是这种遗传连锁不是不可改变的。正如旅客可以换车一

样，一个染色体的一段有时也可以换到另一个染色体上，与另一个

染色体的一段交换一下位置。这种染色体互换可能发生在细胞分

裂的过程中（见图 13-5）。结果，连锁着的特性被分离，重新组合

成新的连锁。例如，有一种红眼卷翅的果蝇，当它和白眼小翅的果

蝇交配时，子代通常不是红眼卷翅就是白眼小翅。但是，由于染色

体互换，这种交配有时也会产生一个白眼卷翅的果蝇或一个红眼

小翅的果蝇。除非发生另一次交换，这种新型在以后各代将保持

不变。

图 13-5染色体的互换

现在，把红眼基因画在染色体的一端，卷翅基因画在另一端。

让我们假设，在整个染色体的中央，有两个决定两个其他性状的相

邻的基因。很明显，在中间点上发生断裂而把这两个基因分离的

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

概率，小于在整个染色体许多点上发生断裂而把两端的基因分开

的概率。通过记录给定的几对连锁性状靠互换而分离的频率，摩

尔根和他的同事们，特别是斯特蒂文特，能够推断出这些基因的相

对位置，并用这种方法画出了果蝇基因位置的染色体图。这样定

出来的位置叫做基因座位。

（但是，在生物系统的研究中经常发生这样的情况，即行为有

时不像科学家们喜欢假设的那样严格地遵循有关的定律。在

20

世纪

40年代及以后，美国生物学家麦克林托克仔细地研究玉米的

基因，一代一代地追踪，最后得到一个结论：有些基因在细胞分裂

过程中可以在一些染色体上相当容易而频繁地交换位置。这个观

点似乎与摩尔根及追随摩尔根的生物学家所取得的成果格格不

入，所以她没有受到重视，但她是对的。当其他科学家开始寻找基

因活动的证据时，已经

80多岁的麦克林托克却获得了

1983年的

诺贝尔医学与生理学奖。）

根据这种染色体图（以及对在果蝇唾液腺内发现的比一般染

色体大许多倍的巨染色体的研究），已经证实，在果蝇的一对染色

体中最少含有

1万个基因，因此，单个基因的分子量应该是

6 000

万。照此估计，人的染色体比较大，每对染色体可能含有

2万～9

万个基因，或者说，一个人总共含有

200万个基因。

由于对果蝇遗传研究的成就，摩尔根获得

1933年的诺贝尔医

学与生理学奖。

由于基因知识的不断增多，人们进一步希望有朝一日能够分

析和改变一些人的遗传基因：防止发生严重畸形，或者发生了也能

矫正过来。这种遗传工程需要人的染色体图——与果蝇的情况相

比，这显然是一项非常艰巨的任务。

1967年，纽约大学的格林制

成了既含小白鼠染色体又含人染色体的杂种细胞，使这项任务以

一种令人惊奇的方式变得比较简单了。细胞经过几次分裂以后，

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人染色体剩下的相当少，因而比较容易确定它们的活动所起的作

用。

1969年人们朝着了解基因和操纵基因的方向又迈出了一步，

美国生物化学家贝克威思和他的同事们在人类历史上第一次分离

出一个单独的基因。这个基因是从一个小肠细菌里分离出来的，

它控制着糖代谢的一个方面。

遗传负荷

基因偶尔也会以可以计算出的频率发生突然的变化，这种突

变可以由某种新的意想不到的身体性状表现出来，如农民赖特的

短腿羊就是一例。自然发生的突变比较少。

1926年，曾经是摩尔

根研究小组成员的遗传学家马勒，发现了一种人工增加果蝇突变

率的方法，可以更容易地研究这种变化的遗传。他发现，

X射线可

以达到这一目的——可能是使基因受损。马勒的发现促进了对突

变的研究，也为他赢得了

1946年的诺贝尔医学与生理学奖。

结果，马勒的研究引起人们对人类未来种种不安的思想。尽

管突变是进化的一个重要的推动力，偶尔能使一个物种产生改进，

更适应它的环境，但是这种有利的突变是极少的例外。大部分（至

少

99%）的突变都是有害的，有些甚至是致命的。即使那些只有

轻微伤害的基因也会消失，因为它们的携带者不能像健康的个体

那样生活，留下的后代也比较少。与此同时，一种突变可能造成许

多代人的疾病和痛苦；此外，新的突变不断出现，使每个物种都带

有大量有缺陷的基因。因此，有

1 600多种人类疾病被认为是由

基因缺陷造成的。

在

20世纪

30年代和

40年代，俄国血统的美国遗传学家多布

赞斯基的研究清楚地表明，在正常的人群里不同的基因种类的数

目非常大（包括大量有严重危害的种类）。正是这种多样性使进化

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

向前迈进，但是有害基因的数目（遗传负荷）引起人们的恐惧，说明

人们的担心是有道理的。

两个近代的发展似乎在不断地增加这种负荷。第一，医学和

社会保健的发展往往使带有有害突变的人的残疾得到补偿，至少

在繁殖能力方面是如此，例如，视力有缺陷的人可以戴眼镜；胰岛

素可以维持糖尿病（一种遗传性疾病）患者的生命，等等。这样，他

们就会把有缺陷的基因传给后代。当然，不能设想让有缺陷的人

早死或不孕，或者都监禁起来，除非残疾得很厉害，使它不够做一

个人，如痴呆和杀人狂。毫无疑问，即使没有人道主义的刺激，人

类仍能承受有害突变基因的负荷。

但是对第二个近代的危险就不会那么宽容了。这种危险就是

不必要的辐射增加了遗传负荷。遗传的研究无可争辩地证明，对

于人类整体来说，即使稍微增加辐射的总量就会相应地稍微增加

突变率。自

1895年以来，人们一直受到多种强烈的辐射，对此前

人一无所知。太阳辐射、土壤的天然放射性和宇宙射线一直与人

类在一起。但是现在，我们在医学上任意地使用

X射线；我们浓

缩放射性物质；我们制造具有惊人的辐射潜力的放射性同位素；我

们甚至爆炸原子弹，所有这些都增加了本底辐射。

当然，没有人认为应该放弃核物理的研究，或者医生绝对不能

使用

X射线。不过，有一个强烈的建议，即要认识到辐射的危险，

把辐射量减少到最低限度。例如，

X射线要有区别地小心使用，在

每次使用期间都要把性器官防护起来。另一个建议是，每个人都

要记下自己的

X射线积累照射总量，以免超过合理的限度。

血型

当然，遗传学家不能肯定由植物和昆虫实验所得到的定律必

定适用于人类，毕竟我们既不是豌豆，也不是果蝇。但是对某些人

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的性状的直接研究证明，人的遗传确实遵循同样的定律。最著名

的例子就是血型的遗传。

输血是一种非常古老的医疗方法。早期的医生有时甚至试图

把动物的血输给因失血过多而身体衰弱的病人。但是即使输入的

血，也常常使情况更加恶化，所以曾经有一个时期制定了禁止输血

的法律。在

19世纪

90年代，奥地利病理学家兰德施泰纳终于发

现，人血有不同的血型，其中有些血型是互不相容的。他发现，有

时把一个人的血液和另一个人的血清样本（血液中去掉红血球和

凝集因子后剩下的液体）相混合，前者所有血液中的红血球会凝集

在一起。显然如果在输血时发生这种混合是非常危险的，倘若凝

集的血块堵塞了重要血管里的血液循环，甚至可能导致病人死亡。

但是，兰德施泰纳还发现，有些血液混合后不会引起任何有害的凝

集。

到

1902年，兰德施泰纳已经能够宣布，人的血液有

4种血型，

他命名为

A、B、AB和

O型。任何人都只有其中一种血型的血液。

当然，具有同一血型的人可以互相输血而没有危险。此外，O型血

可以安全地输给任何血型的人，而

A型血和

B型血都可以输给

AB型的病人。但是，当把

AB型血输给

A型或

B型的人时，当

A

型血和

B型血混合时，或者

O型血的人接受任何非

O型血时，都

会造成红血球凝集。（现在，为了避免可能的血清反应，合乎要求

的做法是只给病人输自己血型的血。）

1930年，兰德施泰纳（当时已成为美国公民）获得诺贝尔医学

与生理学奖。

遗传学家们已经证实，这些血型（以及后来发现的所有其他血

型，包括

Rh型）都是严格按照孟德尔的方式遗传的。好像有

3个

等位基因分别负责

A、B和

O型。如果父母都是

O型，则所有的

小孩都会是

O型。如果父母有一方是

O型而另一方是

A型，则所

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

有的小孩可能是

A型，因为等位基因

A对

O呈显性。等位基因

B

对

O同样呈显性。但是等位基因

B和等位基因

A相对不呈显性，

因而同时具有

A和

B两个等位基因的人是

AB型。

因为血型严格地遵循孟德尔的定律，所以可以（而且已经）用

血型来鉴定父亲的身份。如果一个

O型的母亲生了一个

B型的

小孩，则孩子的父亲一定是

B型，因为那个等位基因

B一定要有

个来源。如果女人的丈夫碰巧是

A型或

O型，则证明是女人不贞

（或者是医院里把小孩弄错了）。如果一个有

B型孩子的

O型女

人指控一个

A型或

O型的男人是小孩的父亲，那么她或是弄错了

或是在说谎。但是，尽管血型有时能够证明否定的观点，却无法证

明肯定的观点。如果这个女人的丈夫或被指控的男人是

B型，情

况仍得不到证明。任何

B型或

AB型的男人都可能是小孩的父

亲。

优生学

伴性性状的存在也证明孟德尔的遗传定律适用于人类。正如

我前面提到的，色盲和血友病几乎只发生在男性身上，而且遗传的

方式和果蝇伴性性状的遗传方式一模一样。

于是自然会出现这样一种想法：禁止患这种病的人生育，就能

够消灭这种病。通过指导下的适当婚配，甚至人种也可以得到改

良，就像家畜的品种已经得到改良一样。这绝不是一个新想法。

2 500年前，古代的斯巴达人就相信这个观点并试图实行。在近

代，英国科学家高尔顿（

C. R. 达尔文的一个表兄弟）又使这个想

法复活起来。1883年，他创造了优生学一词来描述他的构想。

当时高尔顿不知道孟德尔的发现，他不明白为什么一些看起

来似乎不存在的性状却被以隐性的方式携带着；他也不理解成组

的性状为什么会完整地遗传，而且很难只去掉不想要的性状而不

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去掉想要的性状；他更不知道突变会把不想要的性状一代一代地

传下去。

虽然如此，想“改良”人种的愿望持续不断，时至今日甚至在科

学家中也可以找到优生学的支持者。这些支持者的动机很值得怀

疑，因为那些热衷于表明可以识别的种族之间重要遗传差异的人，

他们自己肯定属于“优等”之列。

例如，英国心理学家伯特发表了对不同种族智力的研究成果，

宣称有确凿的证据认为，男人比女人聪明，基督教徒比犹太人聪

明，英格兰人比爱尔兰人聪明，上等阶层的英国人比下等阶层的英

国人聪明，等等。在每次比较中，伯特自己都属于“优等”种族。他

的研究成果被两种人所接受。一种人像伯特那样，认为自己属于

“优等”种族；另一种人轻易地相信，那些被划为“劣等”种族的人不

是压迫和偏见的受害者，而是自身缺陷的受害者。

但是，在伯特

1971年去世以后，人们对他的数据产生了怀疑，

他的统计数字完美得令人无法相信。人们的怀疑越来越多，

1978

年，美国心理学家多尔夫曼能够相当确凿地证明，伯特急于证实他

深信不疑但无法用正当的方法证明的论点，便简单地编造了他的

数据。

然而，即使这样，晶体管发明者之一的肖克利仍然认为，由于

遗传因子的关系，黑人的智力比白人低得多，所以给黑人以同等的

机会以使黑人得到改善的企图注定要失败。这个观点使他声名狼

藉。德国血统的英国心理学家艾森克也坚持这个观点。

1980年，肖克利不小心透露出，在他

70岁时曾献出一些精

子，冷冻保存在精子库里，供高智力的志愿妇女受孕时使用。这件

事被一些爱开玩笑的人传为笑柄。

我自己的看法是，人类遗传学是一门极其复杂的学科，在可以

预见的将来不可能完全搞清楚。因为人不能像果蝇那样又快又多

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

地生育；因为人的交配不能作为试验在实验室里进行；因为人的染

色体和遗传性状比果蝇多得多；因为我们最感兴趣的一些人的性

状（如创造性才能、智力和精神的力量）极其复杂，涉及到许多基因

的相互作用和环境的影响；由于这一切原因，遗传学家对人类遗传

学的研究不像他们研究果蝇遗传学那样有信心。

因此，优生学依然是一个梦想。由于缺乏知识，使它既不明确

又无实质，而且还有恶意，因为它很容易被种族主义者和抱偏见者

所利用。

化学遗传学

一个基因到底是怎样形成它所负责的身体性状的呢？它是通

过什么机制使豌豆的种子呈黄色，使果蝇卷翅，或者使人的眼睛成

为蓝色的呢？

生物学家现在已经确定，基因是通过酶起作用的。这方面最

清楚的例子之一就是眼睛、毛发和皮肤的颜色。颜色（蓝或棕，黄

或黑，红或棕，或介于二者之间的色调）是由色素的量决定的。这

种色素叫做黑色素，存在于眼睛的虹膜、毛发或皮肤里。黑色素是

由一种叫做酪氨酸的氨基酸经过许多步骤形成的，大部分步骤现

在都搞清楚了。许多种酶参与了这一过程，而且形成黑色素的量

取决于这些酶的多少。例如，其中有一种催化头两个步骤的酶，叫

做酪氨酸酶。大概是某个特殊的基因控制着细胞产生酪氨酸酶的

过程，从而用这种方式控制皮肤、毛发和眼睛的颜色，而且，因为这

个基因一代传一代，所以小孩在颜色上天生就像他们的父母。如

果突变碰巧产生一个不能形成酪氨酸酶的有缺陷的基因，这样就

会没有黑色素，那个人就会成为一个白化病人。因此，缺少一种酶

（从而缺少一个基因）就足以使人的性状发生重大变化。

假定一个生物体的性状是由其酶的组成控制的，而酶的组成

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又是由基因控制的，那么，下一个问题是：基因是怎样起作用的？

可惜，要详细地搞清楚这个问题，连果蝇这样的生物也太复杂了。

但是，1941年，美国生物学家比德尔和塔特姆开始用一种简单的

生物体进行此项研究。他们发现有一种生物体非常适合这一目

的，它就是普通的红色面包霉（学名为脉孢菌）。

脉孢菌不需要特别的营养。只要有糖和能够提供氮、硫及各

种矿物质的无机物，它就能生活得很好。除了糖以外，必须给它提

供的惟一有机物就是一种叫做生物素的维生素。

在它的生活周期的某个阶段，脉孢菌会产生

8个遗传成分完

全相同的孢子。每个孢子都含有

7个染色体；和高等生物的性细

胞一样，孢子的染色体都是单的，不成对。于是，只要有一条染色

体发生变化，就能够观察到它的作用，因为没有正常配对的染色体

掩盖它的作用。因此，比德尔和塔特姆能够用

X射线照射制造这

种霉菌的突变，然后追踪在孢子行为方面的特殊效果。

如果脉孢菌接受定量的辐射以后，孢子仍能在平常的培养

基中旺盛地生活，这就清楚地表明没有突变发生，至少负责生物体

生长所需营养的基因没有发生突变。如果孢子在普通培养基中不

生长，实验者就把它们放入含有各种维生素、氨基酸以及它们可能

需要的其他物质的完全培养基中饲养，进而确定它们是活着还是

已死去。如果孢子在完全培养基中生长，结论就是，

X射线产生了

改变脉孢菌营养需求的突变。很明显，现在至少需要在它们的食

物里增加一种新的物质。为了查明到底需要何种物质，实验者把

孢子放入许多培养基内，每个培养基分别缺少完全培养基中的某

些物质。它们可能缺少所有的氨基酸或各种的维生素，或者只有

一两种氨基酸或一两种维生素。用这种方法，他们逐渐缩小营养

需求的范围，直到识别出孢子因为突变现在所需求的食物是

什么。

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

结果证明，有时突变的孢子需要精氨酸。正常的野生种能用

糖和铵盐制造自己的精氨酸。现在，由于基因的改变，所以它不能

再合成精氨酸；而且如果不在食物中提供这种氨基酸，它就不能制

造蛋白质，因此不能生长。

解释这种情况的最明白的方法，就是假定

X射线破坏了一个

负责合成某种酶的基因，而这种酶是制造精氨酸所必不可少的。

因为缺少正常的基因，所以脉孢菌不能再制造这种酶，没有这种酶

也就没有精氨酸。

比德尔和他的同事们继续利用这类资料研究基因与代谢化学

的关系。例如，有一种方法可以证明，不止一个基因参与了制造精

氨酸。为了简便起见，我们假设有两个基因——基因

A和基因

B——负责合成两种不同的酶，两者都是合成精氨酸所必需的。

那么，不论是基因

A还是基因

B发生突变，都会使脉孢菌失去制

造这种氨基酸的能力。假设我们照射两组脉孢菌，在每一组中都

产生一株没有精氨酸的霉菌。如果我们幸运的话，一个突变种可

能含有一个有缺陷的基因

A和一个正常的基因

B；另一个突变种

含有一个正常的基因

A和一个有缺陷的基因

B。要想知道是不是

这种情况，让我们把这两个突变种在它们生活周期的性阶段进行

杂交。如果两个菌株确实有这种区别的话，染色体的重组就会产

生一些基因

A和基因

B都正常的孢子。换句话说，利用两个不能

制造精氨酸的突变种，我们可以得到能够制造精氨酸的后代。果

然，在进行实验时发生的正是这种情况。

我们可以对脉孢菌的代谢进行比这更详细的探讨。例如，这

里有三株不能靠普通培养基制造精氨酸的突变种：一株只有供给

精氨酸才能生长；第二株无论得到精氨酸还是瓜氨酸（一种和精氨

酸非常类似的化合物）就能生长；第三株靠精氨酸、瓜氨酸或鸟氨

酸（另一种类似的化合物）都能生长。

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你能据此得出什么结论呢？我们可以猜出这三种物质是连续

的三个步骤，最终产物是精氨酸。每一步骤需要一种酶。首先，在

一种酶的帮助下，由某种更简单的化合物形成鸟氨酸；然后，另一

种酶把鸟氨酸变为瓜氨酸；最后，第三种酶把瓜氨酸变为精氨酸。

一株缺少制造鸟氨酸的酶但具有其他酶的脉抱菌突变种，如果供

给它鸟氨酸，它仍能活下去，因为它的孢子能够利用鸟氨酸制造瓜

氨酸，然后再制造必需的精氨酸，当然靠精氨酸本身也能生长。由

于同样原因，我们可以推断出，第二株突变种缺少把鸟氮酸变为瓜

氨酸所需要的酶，因此必须给这个菌株提供瓜氨酸（它能够利用瓜

氨酸制造精氨酸）或精氨酸本身。最后，我们可以得出这样的结

论：只靠精氨酸生长的突变种已经失去了负责把瓜氨酸变为精氨

酸的酶（和基因）。

通过分析他们能够分离的各种突变菌株的行为，比德尔和他

的同事们创立了化学遗传学这门科学。他们研究出生物体合成许

多重要化合物的过程。比德尔提出了著名的一个基因一种酶学

说

①，就是说每个基因都控制着一种酶的形成，这个学说现在为遗

传学家所普遍接受。由于他们的开创性工作，比德尔和塔特姆分

享了

1958年的诺贝尔医学与生理学奖。

异常血红蛋白

比德尔的发现使生物化学家们对蛋白质中（当然，特别是人的

各种突变中）由基因控制的变化的迹象警觉起来了。一个与一种

叫做镰形细胞贫血症的疾病有关的病例意外地出现了，这种疾病

①后来发现，一个基因只能控制合成一条肽链，而一种酶或蛋白质要有几种相同

或不相同的肽链结合成一定的空间结构（构型），才具有正常的生理功能，所以，一个基

因一种酶的公式被一个基因一条肽链所代替。——译注

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

是人类

1 600多种遗传性疾病之一。

这种疾病是美国芝加哥医生赫里克

1910年首先报道的。在

用显微镜观察一个

10多岁的黑人患者的血液样本时，赫里克发现

在正常情况下应为圆形的红血球呈现出各种奇怪而弯曲的形状，

其中许多看起来就像新月形的镰刀。其他医生也开始注意这种奇

特的现象，患者几乎都是黑人。最后，研究者确认镰形细胞贫血症

是一种遗传性疾病，这种疾病遵循孟德尔的遗传定律：显然有一种

镰形细胞基因，如果从父母那里得到两个这样的基因，就会产生这

些畸形的红血球。这种红血球不能很好地携带氧气，而且寿命特

别短，所以血液中缺少红血球。得到两个这种基因的人通常在童

年时期就会死去。但是，如果一个人从他父母的一方只得到一个

镰形细胞基因，不出现这种病。当一个人严重缺氧时（如在高海拔

时），他的红血球才会出现镰形。这种人被认为有镰形细胞性状，

而不是有这种病。

已经发现，大约

9%的美国黑人有这种性状，0.25%的人患有

这种疾病。在中非的一些地区，表现出这种性状的多达黑人人口

的

1/4。很明显，镰形细胞基因起源于非洲的一种突变，此后便由

非洲血统的人遗传下来。既然这种病能够致死，那么，为什么这种

有缺陷的基因一直没有消失呢？20世纪

50年代在非洲的研究找

到了这个问题的答案：有镰形细胞性状的人似乎比正常人对疟疾

具有更强的免疫力。镰形细胞不知为什么不适合于疟原虫寄生。

据估计，在疟疾猖撅的地区，有镰形细胞性状的儿童比没有这种性

状的儿童活到生育年龄的机会大

25%。因此，有一个镰形细胞基

因（但不是引起贫血的两个基因）反而有利。单个基因的保护作用

促使这种有缺陷的基因发展，两个基因的致命作用促使这种基因

消灭，这两种相反的倾向往往产生一种平衡，使这种基因在人口中

维持在一定的水平上。

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在疟疾不严重的地区，这个基因确实在倾向于消失。在美国，

开始时黑人中镰形细胞基因的发生率高达

25%。即使由于黑人

与非黑人的结合，把这个数字降低到估计的

15%，目前只有

9%的

发生率也表明，这个基因在减少。它很可能继续减少下去。如果

非洲消灭了疟疾，这个基因在非洲大概也会减少。

1949年，加利福尼亚理工学院（比德尔也在那里工作）的泡令

和他的同事们证明，这个基因影响红血球里的血红蛋白：有两个镰

形细胞基因的人不能制造正常的血红蛋白。于是，镰形细胞基因

的生物化学意义突然显得重要起来。泡令是用一种叫做电泳的技

术证明这一点的。电泳是利用电流分离蛋白质的一种方法，因为

各种蛋白质分子上的净电荷不同。（电泳技术是瑞典化学家蒂塞

利乌斯研制出来的，他由于这项有用的贡献获得

1948年的诺贝尔

化学奖。）利用电泳分析，泡令发现患镰形细胞贫血症的病人具有

异常血红蛋白（命名为血红蛋白

S），这种血红蛋白可以从正常血

红蛋白中分离出来。正常血红蛋白被命名为血红蛋白

A（A表示

“成人”），以便和胎儿的血红蛋白（命名为血红蛋白

F，F表示“胎

儿”）区别开来。

自

1949年以来，除了血红蛋白

S以外，生物化学家们又发现

了其他一些异常血红蛋白，并按英文字母的顺序由血红蛋白

C命

名到血红蛋白

M。很明显，负责制造血红蛋白的那个基因已经突

变为多个有缺陷的等位基因。每个等位基因都会产生一种血红蛋

白，这些血红蛋白在正常的情况下执行分子的功能比较差，但是在

某种特殊的条件下也许有用处。因此，正像只有一个基因产生的血

红蛋白

S能够增强对疟疾的抵抗力那样，只有一个基因产生的血

红蛋白

C也能增强人体忍受最低含铁量的能力。

既然各种异常血红蛋白的电荷不同，它们肽链上的氨基酸的

排列也必定有所差别，因为氨基酸的成分决定着分子的电荷分布

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

图。这些差别一定非常小，因为各种异常血红蛋白都能勉强执行

血红蛋白的功能。要想在一个有

600个氨基酸的大分子上找出这

种差别，希望同样是很小的。然而，德国血统的美国生物化学家英

格拉姆和他的同事们解决了异常血红蛋白的这个化学问题。

他们用一种蛋白质分解酶把血红蛋白

A、血红蛋白

S和血红

蛋白

C消化，先把它们分解成大小不同的肽。然后用纸电泳把各

种血红蛋白的片段分开——即用电流（而不是通过溶液）使分子沿

着一张湿的滤纸移动。（我们可以认为这是一种带电的纸色谱

法。）当研究者把这三种血红蛋白逐一这样处理后，他们发现三者

之间惟一的差别是，一个单肽在每种血红蛋白中出现的位置不同。

他们继续分解和分析这个肽。最后他们了解到，这个肽是由

9个氨基酸组成的，而且这

9个氨基酸除在一个位置上不同外，在

这三种血红蛋白中的排列完全相同。它们的排列分别是：

血红蛋白

A：组—缬—亮—亮—苏—脯—谷—谷—赖

血红蛋白

S：组—缬—亮—亮—苏—脯—缬—谷—赖

血红蛋白

C：组—缬—亮—亮—苏—脯—赖—谷—赖

由此可知，这三种血红蛋白之间惟一的差别在肽的第七位的

那个氨基酸上：血红蛋白

A是谷氨酸，血红蛋白

S是缬氨酸，血红

蛋白

C是赖氨酸。因为谷氨酸产生负电荷，赖氨酸产生正电荷，

缬氨酸不产生电荷，所以这三个血红蛋白在电泳中表现不同就没

有什么奇怪的了。它们的电荷分布图不同。

但是，分子上这么微小的变化为什么会造成红血球如此重大

的改变呢？原来，正常的红血球里有

1/3是血红蛋白

A。血红蛋

白

A分子在细胞里挤得很紧，几乎没有自由移动的余地。简言

之，它们处在要从溶液里沉淀出来的程度。一个蛋白能否沉淀出

来，部分影响是它所带电荷的性质。如果所有的蛋白都带有相同

的净电荷，它们就会相互排斥无法沉淀。电荷越大（即排斥力越

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大），蛋白越不容易沉淀。血红蛋白

S分子间的排斥力比血红蛋白

A的略微小一点，所以血红蛋白

S相应地不易溶解而更容易沉淀。

当一个镰形细胞基因和一个正常基因配成对时，正常基因可以形

成足够的血红蛋白

A，使血红蛋白

S保留在溶液内，可是这时生命

就岌岌可危了。但是当两个基因都是镰形细胞突变种时，它们就

会只产生血红蛋白

S。这种分子不能保留在溶液内，它会沉淀成

晶体，使红血球扭曲和变弱。

这个学说可以说明，为什么在一个差不多由

600个氨基酸组

成的分子的每一半上，只改变一个氨基酸，就足以产生一种严重的

疾病，而且患者几乎必定夭折。

代谢异常

由于缺少一种酶或由于一个基因的突变而引起的人类缺陷，

已经查出的不止是白化病和镰形细胞贫血症。苯酮尿症也是一种

遗传性代谢缺陷，常常引起智力低下。患者是由于缺少把苯丙氨

酸转变成酪氨酸所需要的一种酶。还有一种半乳糖血症，能引起

白内障并损害脑和肝。已经查明，这种病是由于患者缺少把磷酸

半乳糖转变为磷酸葡萄糖所需要的一种酶。还有一种疾病与缺少

某种控制糖原（一种淀粉）分解和把它转变为葡萄糖的酶有关，这

种病会造成肝或其他地方内糖原的异常积累，往往导致夭折。这

些都是先天代谢病的例子，都是先天缺少正常人所具有的合成某

种比较重要的酶的能力。这个观念是英国医生加罗德

1908年首

先向医学界提出的，但是在一代人的时间里没有人理睬，直到

20

世纪

30年代中期，英国遗传学家霍尔丹再度提请科学家们注意这

个问题。

这类疾病通常都是由产生有关酶的基因的一个隐性等位基因

控制的。当一对基因中只有一个有缺陷时，那个正常基因能够坚

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

持下去，患者一般能够过正常的生活（如具有镰形细胞性状的人那

样）。只有当父母双方碰巧都具有相同的缺陷基因，而这两个基因

又被结合到受精卵里时，通常才会出现麻烦。这时他们的孩子就

是一个不幸的受害者了。大概所有的人都带有异常的、有缺陷的、

甚至是危险的基因，但通常都被正常基因掩盖了。现在你可以理

解为什么人类遗传学家如此关心辐射或任何其他可增加突变率和

遗传负荷的东西了。

核 酸

总的来说，遗传上真正值得注意的不是这些惊人的、比较罕见

的畸变，而是遗传如此严格地一如往常的事实。一代接着一代，一

千年又一千年，基因一直不断地以完全相同的方式复制着自己，并

产生着完全同样的酶，只是在偶然的情况下才会意外地偏离蓝图。

它们即使在大分子上也不会弄错一个氨基酸。以如此惊人的忠实

程度，一次又一次准确地自我复制，它们到底是怎样做到这一点的

呢？

这个问题的答案一定在我们称为染色体的长串基因的化学

上。染色体的一个主要部分是蛋白质，它大约有一半的物质是由

蛋白质构成的。这并不令人惊奇。随着 20世纪的消逝，生物化学

家们认为，任何复杂的身体功能都与蛋白质有关。蛋白质似乎是

身体里最复杂的分子，只有蛋白质分子的复杂程度才足以表现出

生命的多面性和敏感性。

可是，染色体蛋白质的主要部分属于组蛋白类，就蛋白质来

说，这些分子是相当小的，而且更糟糕的是，它们是由氨基酸的一

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种惊人的简单混合组成的。它们的复杂程度似乎远不能决定遗传

的精密性和复杂性。诚然，染色体中还有大得多而且更复杂的分

子组成的非组蛋白的蛋白质成分，但它们仅占整个染色体的一小

部分。

然而，生物化学家们被这种蛋白质难住了。无疑，遗传的机制

只能与蛋白质有关。大约一半的染色体是由非蛋白物质组成的，

但是似乎任何非蛋白物质都不可能合适。不过，我们仍然必须讨

论染色体的这种非蛋白质成分。

一般结构

1869年，一位名叫米舍尔的瑞士生物化学家在用胃蛋白酶分

解细胞的蛋白质时，发现胃蛋白酶并没有破坏细胞核。细胞核缩

小了一些，但依然完整无损。经过化学分析，米舍尔发现，细胞核

主要是由一种含磷的物质组成的，这种物质的性质与蛋白质毫无

相似之处。他称这种物质为核质，20年后发现它是一种强酸，又

重新命名为核酸。

米舍尔专心致力于研究这种新物质，终于发现几乎全部由细

胞核物质构成的精子细胞特别富含核酸。同时，德国化学家霍佩

塞勒从酵母细胞中分离出核酸（米舍尔就是在霍佩

-塞勒的实验室

里获得他的第一个发现的，而且霍佩

-塞勒亲自证实了这个年轻人

的工作以后，才同意把它发表）。这种核酸在性质上似乎不同于米

舍尔发现的那种核酸，所以把米舍尔发现的核酸命名为胸腺核酸

（因为它特别容易从动物的胸腺里得到），而把霍佩-塞勒发现的核

酸自然地叫做酵母核酸。由于开始时胸腺核酸只从动物细胞里提

取，酵母核酸只从植物细胞里提取，因此有一个时期人们认为这可

能是动植物之间一种普遍的化学差别。

德国生物化学家科塞尔（霍佩

-塞勒的另一位学生）是第一个

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

对核酸分子的结构进行系统研究的人。他经过精心的水解，从核

酸里分离出一系列的含氮化合物，并分别命名为腺嘌呤、鸟嘌呤、

胞嘧啶和胸腺嘧啶，现在知道这些化合物的结构式分别为：

NH2 OH

C

C

N

N

NC

NC

CH

CH

CH C

CC

NH

NH

N

NH2 N

腺嘌呤鸟嘌呤

NH2 OH

C C CH3

NCH NC

C CH

C CH

HO N

HO N

胞嘧啶胸腺嘧啶

头两种化合物的双环结构叫做嘌呤环，另外两种化合物的单

环称为嘧啶环。因此，腺嘌呤和鸟嘌呤属于嘌呤类，而胞嘧啶和胸

腺嘧啶属于嘧啶类。

由于这些研究引起了一系列富有成果的发现，科塞尔获得

1910年的诺贝尔医学与生理学奖。

1911年，俄国出生的美国生物化学家列文（科塞尔的一名学

生）又把这项研究向前推进了一步。

1891年科塞尔曾发现核酸含

有碳水化合物，而现在列文证明核酸含有五碳糖分子。（当时这是

一项不寻常的发现，因为大家所熟悉的糖，如葡萄糖，都含有六个

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碳。）列文沿着这个发现继续前进，证明两种核酸所含的五碳糖性

质不同。酵母核酸含有核糖，而胸腺核酸含有一个与核糖非常相

似的糖，只比核糖少一个氧原子，所以叫做脱氧核糖。它们的结构

式分别为：

OO

CH CH

HCOH HCH

H COH H COH

H COH H COH

CH2 OH CH2 OH

核糖脱氧核糖

因此，这两种核酸后来分别叫做核糖核酸（RNA）和脱氧核糖

核酸（DNA）。

这两种核酸除含糖不一样外，所含的嘧啶中也有一个不相同。

RNA有一个尿嘧啶代替了胸腺嘧啶。不过，尿嘧啶和胸腺嘧啶非

常相似，这一点从结构式上可以看出来：

OH

C

N

CH

C

CH

HO N

尿嘧啶

到

1934年，列文已经能够证明，核酸可以分解成含有一个嘌

呤（或一个嘧啶）、一个核糖（或一个脱氧核糖）和一个磷酸基的一

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

些片段。这个组合叫做核苷酸。列文提出，核酸分子是由核苷酸

构成的，正如蛋白质是由氨基酸构成的一样。他的定量研究表明，

核酸分子仅由

4个核苷酸单元所组成，一个含腺嘌呤，一个含鸟嘌

呤，一个含胞嘧啶，一个含胸腺嘧啶（在

DNA里）或尿嘧啶（在

RNA里）。

这个提法似乎很有道理。染色体内及其他地方的物质被认为

是核蛋白，而核蛋白又是由一个带有一个或多个四核苷酸基的大

蛋白质分子组成的，四核苷酸基的作用尚不清楚，可能起着某种次

要的作用。

但是，后来发现，列文所分离出来的不是核酸分子而是核酸的

片段；而且到

20世纪

50年代中期，生物化学家们发现核酸的分子

量高达

600万。所以，核酸分子与蛋白质分子大小相当，甚至可能

比蛋白质分子还要大。

核苷酸组合和互相连接的确切方式是由英国生物化学家托德

证实的。他利用比较简单的片段组合成各种核苷酸，并在只允许

有一种键的条件下，小心地把核苷酸连接在一起。他因为这项成

就获得

1957年的诺贝尔化学奖。

结果，可以看出，核酸的一般结构有点像蛋白质的一般结构。

蛋白质分子是由一个多肽主链组成的，从主链向外伸出许多单个

氨基酸的侧链。在核酸里，一个核苷酸的糖和另一个相邻的核苷

酸的糖利用一个连接两者的磷酸基结合在一起。于是，一个糖-磷

酸主链贯穿整个分子，从主链延伸出许多嘌呤和嘧啶，每个核苷酸

一个。

这样问题就清楚了，核蛋白是由两部分组成的，每一部分是一

个大分子。下一个急需解决的问题是核酸的功能。

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DNA

利用细胞染色技术，研究者开始确定核酸在细胞里的位置。

德国化学家福尔根使用只染

DNA而不染

RNA的一种红色染料，

发现

DNA位于细胞核里，具体地说位于染色体里。他不仅在动

物细胞里而且在植物细胞里都发现了

DNA。另外，通过给

RNA

染色，他证明

RNA在植物和动物细胞里也都存在。总之，核酸是

存在于所有活细胞里的普通物质。

瑞典生物化学家卡斯珀松进一步研究了这个问题。他去掉两

种核酸中的一种（利用一种酶把这种核酸还原成可溶的片段，再把

它从细胞里洗掉），而集中研究另一种。他对这个细胞进行紫外线

照相，因为一种核酸吸收紫外线的能力比其他细胞物质强得多，所

以

DNA或

RNA（不论哪一种留在细胞里）的位置会清楚地显示出

来。利用这项技术，

DNA只在染色体里出现；

RNA主要出现在细

胞质里的某些颗粒里，一些

RNA还出现在核仁（细胞核内的一种

结构）里。（1948年，洛克菲勒研究院的生物化学家米尔斯基证

明，即使在染色体里也有少量的

RNA；塞杰尔则证明，在细胞质

里，尤其是植物的叶绿体里，也会出现

DNA。1966年，在线粒体

里也找到了

DNA。）

卡斯拍松的照片表明，DNA位于染色体里的染色带里。DNA

分子会不会就是基因？到此时为止基因还是一个非常模糊而无形

的东西。

整个

20世纪

40年代，生物化学家们一直在研究这个问题，兴

致越来越高。他们发现，特别值得注意的是，一个生物体细胞里的

DNA含量总是恒定不变的，但是，正如所预料的那样，精子细胞和

卵细胞都只含有这个量的一半，这是个例外，因为它们所含的染色

体只有正常细胞的一半。染色体里

RNA和蛋白质的含量可能全

部改变，但是

DNA的含量依然不变。这似乎确实表明，

DNA和基

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

因之间有着密切的联系。

起初认为蛋白质是只“狗”，核酸只是开始摇动的“尾巴”，后来

报道的一些重要观察似乎表明，这条“尾巴”原来就是“狗”本身。

细菌学家对在实验室里生长起来的两株不同的肺炎球菌进行

过长期的研究。一株具有由复杂的碳水化合物构成的光滑被膜，

另一株没有这种被膜，所以外表显得粗糙。很明显，外表粗糙的菌

株缺乏制造被膜所需要的某种酶。但是，一位名叫格里菲思的英

国细菌学家发现，如果把已被杀死的外表光滑的细菌和活着的外

表粗糙的细菌混合起来，然后注入一只小白鼠体内，这只被感染的

小鼠的组织最终会含有活的外表光滑的肺炎球菌！这是怎么回事

呢？死肺炎球菌肯定不会复活。一定是某种物质转化了粗糙菌株

的肺炎球菌，使它们具有了制造光滑被膜的能力。这某种物质究

竟是什么呢？显然，它是光滑菌株的死菌所提供的某种因子。

1944年，三位美国生物化学家艾弗里、

C. M. 麦克劳德和麦卡

蒂证认出这种转化因子。它就是

DNA。他们从光滑菌株细菌里

分离出纯

DNA，再把纯

DNA加给粗糙菌株细菌，仅仅这样做就足

以把粗糙菌株转化成光滑菌株。

研究者继续分离有关其他细菌和其他特性的转化因子，每种

情况都证明转化因子是一种

DNA。只有一个似乎可能的结论：

DNA可以像一个基因一样发生作用。事实上，各种专门的研究，

特别是对病毒的研究（见第十四章）都证明，从遗传的观点来看，和

DNA联合在一起的蛋白质几乎是多余的：不论是在染色体里，还

是在像叶绿体和线粒体一类的胞质体里（非染色体性遗传），DNA

自身能够产生全部的遗传效果。

双螺旋

如果

DNA是遗传的关键，它必定具有复杂的结构，因为它必

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须携带一套复杂的图式或指示密码（遗传密码），以合成各种特定

的酶。如果它是由四种核苷酸组成的，这四种核苷酸不能像

1，2，

3，4，1，2，3，4，1，2，3，4……那样以一种有规则的排列连在一起。

这种分子太简单了，根本不能携带一份适用于各种酶的蓝图。事

实上，1948年，美国生物化学家查加夫和他的同事们发现了确切

的证据，证明核酸的组成比原来想象的复杂得多。他们的分析表

明，各种嘌呤和嘧啶的含量并不相等，而且在不同的核酸里它们的

比例也不相同。

一切似乎都表明，四个嘌呤和嘧啶沿

DNA主链的分布是没

有规则的，正如氨基酸侧链沿肽主链的分布一样。然而，似乎也有

一些规律。在任何给定的

DNA分子中，嘌呤的总数似乎总与嘧

啶的总数相等。此外，腺嘌呤（一种嘌呤）的数目总是等于胸腺嘧

啶（一种嘧啶）的数目，而鸟嘌呤（另一种嘌呤）的数目总是等于胞

嘧啶（另一种嘧啶）的数目。

如果我们用

A表示腺嘌呤，G表示鸟嘌呤，T表示胸腺嘧啶，

C表示胞嘧啶，那么，嘌呤就是

A+G，嘧啶则是

T+C。于是，对任

何给定分子的研究结果都可以总结为：

A＝T

G＝C

A + G＝T + C

更多的普遍规律也出现了。早在

1938年，阿斯特伯里就指

出，核酸能以衍射图的方式散射

X射线，表明它的分子里存在着

有规则的结构。新西兰出生的英国生物化学家

M. H. F.威尔金

斯计算出，这些规则结构重复出现的间隔比核苷酸与核苷酸之间

的距离大得多。一个合乎逻辑的结论是，核酸分子为螺旋状，螺旋

上的圈形成了在

X射线下看到的重复单元。这个想法似乎很吸

引人，因为当时泡令已经证实了某些蛋白质分子的螺旋结构。

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

M. H. F.威尔金斯的结论主要是根据他的同事 R. E. 富兰克

林研究 X射线衍射的成果得出的。 R. E.富兰克林在这些研究中

一直未能充分发挥作用，英国科学界歧视妇女的态度是其原因之

一。

1953年，英国物理学家克里克和他的同事美国生物化学家

J. D. 沃森，把所有的资料集中在一起（他们利用了 R. E. 富兰克林

的一幅重要照片，显然没有得到她的同意），提出了一个全新的核

酸分子模型。这个模型上的核酸分子不止是一个螺旋，而是双螺

旋（这一点是关键）——两个糖 -磷酸主链就像一个两边有扶手并

绕着同一竖轴上去的螺旋楼梯（见图 13-6）。嘌呤和嘧啶从每个

糖-磷酸主链内对着延伸，并且互相连接在一起，就像形成这个双

扶手螺旋楼梯的阶梯似的。

图 13-6核酸分子的模型。左图表示双螺旋；中图表示部分双螺旋的

详细结构（省去了氢原子）；右图表示核苷酸结合的详细情形

嘌呤和嘧啶怎么会沿着这些平行的链排列起来呢？为了使它

们都同样合适，一侧的一个双环嘌呤必须总是对着另一侧的一个

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嘧啶，从而合起来形成一个三环的宽度。两个嘧啶伸展不到这个

宽度，而两个嘌呤又太拥挤。而且，一侧的一个腺嘌呤总要对着另

一侧的一个胸腺嘧啶；一个链上的一个鸟嘌呤总要对着另一个链

的胞嘧啶。这样，人们就可以解释

A＝T、G＝C和

A+T＝G+C

这一发现了。

后来证明，核酸结构的这个沃森-克里克模型特别富有成效；

因此，M. H. F.威尔金斯、克里克和

J. D.沃森分享了

1962年的诺

贝尔医学与生理学奖。（R. E. 富兰克林已于

1958年去世，所以

没有提出关于她的贡献问题。）

例如，沃森

-克里克模型可以说明在细胞分裂过程中一个染色

体怎么会复制自己。我们可把这个染色体看成是一长串

DNA分

子。组成双螺旋的两个单螺旋分离（打个比方说，两个缠在一起的

链互相松开），使这些

DNA分子首先分开。这是可以做到的，因

为相对的嘌呤和嘧啶是由微弱的氢键连接的，很容易断开。这样，

每个链都是半分子的。这些半分子能够合成自己失去的部分：有

胸腺嘧啶的就接上一个腺嘌呤；有胞嘧啶的就接上一个鸟嘌呤；等

等。制造这些单元所需要的全部原料和必需的酶，在细胞里都是

现成的。半分子只是起一种模板（或模子）的作用，把这些单元按

正确的次序排在一起。这些单元最终将进入适当的位置并停留下

来，因为那是最稳定的排列。

概括地说，每个半分子在形成自身互补链中都起着主导作用，

并用氢键把互补链和自己连接起来。用这种方式，半分子重新形

成完整的双螺旋

DNA分子，于是，由原来那个分子分成的两个半

分子便在原来只有一个分子的地方形成两个分子。一个染色体上

所有的

DNA都完成这个过程后，就会产生两个和原来的母染色

体完全相同的染色体。偶尔也会出现某种差错，例如某种亚原子

粒子或高能辐射的冲击，或者某些化学药品的干预，都可能在新染

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

色体的某个地方引起缺陷，结果形成突变。

支持这种复制机制的证据越来越多。利用重氮标记染色体，

然后追踪被标记物质在细胞分裂过程中的命运，这种示踪研究倾

向于证实这个学说。此外，人们已经认出与复制有关的一些重要

的酶。

1955年，西班牙血统的美国生物化学家奥乔亚从一种细菌

（固氮菌）中分离出一种酶，经证明能够催化核苷酸形成

RNA。

1956年，奥乔亚以前的一位学生科恩伯格分离出另一种酶（从大

肠杆菌中），可以催化核苷酸形成

DNA。奥乔亚进而利用核苷酸

合成了类似

RNA的分子，科恩伯格同样合成了类似

DNA分子。

（他们两个分享了

1959年的诺贝尔医学与生理学奖。）科恩伯格还

证明，给他的酶里加一点儿天然

DNA作为模板，他的酶就能催化

形成一种看上去和天然

DNA完全一样的分子。

1965年，伊利诺

斯大学的施皮格尔曼使用一种活病毒（最简单的一类生物）里的

RNA，制造出了另外一些这类病毒的分子。因为这些另外的分子

表现出病毒的基本特性，所以这种方法迄今仍是产生试管生命的

捷径。1967年，科恩伯格和其他人使用一种活病毒里的

DNA作

模板，也完成了同样的实验。

最简单形式的生命里

DNA的含量很少，例如病毒里只含有

一个分子，而且还可以使之更少。1967年，施皮格尔曼让一个病

毒的核酸复制，隔一段时间就选出一些样本进一步复制，时间间隔

越来越短。他用这种方法选出了一批复制特别快的分子（因为它们

比一般的小）。最后，他把这个病毒缩小到正常大小的

1/6，而

把复制的速度提高了

15倍。

虽然细胞里复制的是

DNA，但许多比较简单的病毒只含

RNA，在这些病毒里复制的是双股的

RNA分子。细胞里的

RNA

是单股的，不能复制。

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然而，单股的结构和复制并不是互相排斥的。美国生物物理

学家辛希默发现了一株含有单股

DNA的病毒。那种

DNA分子

必须复制自己；但它只有单股，怎样进行复制呢？解决这个问题并

不难。单股先生产出它自己的互补链，然后互补链再制造出“互补

链的互补链”，即原来一股的复制品。

很明显，单股排列比双股排列效率低（这可能就是前者只存在

于某些非常简单的病毒里而后者存在于所有其他生物里的原因）。

首先，单股自我复制必须经过两个连续的步骤，而双股一步即可完

成；其次，现在认为，

DNA分子中只有一股是重要的工作结构，比

方说，是分子的“刀刃”，它的互补链可以看成是保护刀刃的鞘。双

股表示刀刃不用时被保护在鞘内；单股的刀刃则一直暴露在外面，

会经常遭受意外而变钝。

基因活性

然而，复制只是使

DNA存在下去。那么，

DNA是怎样完成合

成一种特定的酶（即一种特定的蛋白质分子）的工作的呢？要合成

一种蛋白质，

DNA分子必须指导氨基酸在由几百个或上千个单元

组成的分子里按照某种特定的次序排列。对于每一个位置，它都

必须从

20多种不同的氨基酸中选出一个正确的。假如

DNA分

子上有

20多个与氨基酸相对应的单元，这件事就很容易做到。但

是

DNA是由

4种不同的构件（

4种核苷酸）构成的。考虑到这一

点，天文学家伽莫夫在

1954年提出，这些核苷酸的各种组合可以

作为我们现在叫做的遗传密码（就像莫尔斯电码一样，莫尔斯电码

可以把点和划以各种方式组合来代表字母、数字等）。

如果你从

4种不同的核苷酸（A，G，C，T）中一次任取两个，便

有

4×4即

16种可能的组合（AA、AG、AC、AT、GA、GG、GC、GT、

CA、CG、CC、CT、TA、TG、TC和

TT）。这样仍不够用。如果一次

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

任取

3个，便有

4×4×4即

64种不同的组合，这样就有剩余了。

（如果你觉得有趣，可以试着列出这些不同的组合，看能否找到第

65种。）

看起来好像每个不同的核苷酸三联体或密码子都代表一种特

定的氨基酸。由于可能有大量不同的密码子，所以也可以用两个

或三个不同的密码子代表一种特定的氨基酸。这种情况，密码员

称之为遗传密码简并。

这样就留下了两个主要问题：哪一种密码子（或一些密码子）

与哪一种氨基酸相对应？而且，密码信息（安全地锁在细胞核里，

因为只有细胞核里才有

DNA）是怎样到细胞质内形成酶的地方的

呢？

如果先考虑第二个问题，很快就会怀疑

RNA就是这种媒介

物质。这个看法是法国生物化学家雅各布和莫诺首先提出来的。

这种

RNA的结构必须和

DNA非常相似，二者之间存在的差异不

能影响遗传密码。RNA以核糖代替了脱氧核糖，即每个核苷酸上

多一个氧原子，并用尿嘧啶代替了胸腺嘧啶，即每个核苷酸上少一

个甲基（

CH3）。此外，

RNA主要存在于细胞质中，但是在染色体

本身中也有少量存在。

不难看出和证实所发生的情形。偶尔，当

DNA绕在一起的

两股解开时，其中的一股（总是同一股，即刀刃）复制自己的结构，

但不是利用形成

DNA分子的核苷酸，而是利用形成

RNA分子的

核苷酸。这样，这股

DNA上的腺嘌呤所连接的不是胸腺嘧啶核

苷酸而是尿嘧啶核苷酸。这样形成的

RNA分子，带着在自己的

核苷酸模型上的遗传密码，就可以离开细胞核而进入细胞质。

由于它带有

DNA的信息，所以被命名为信使

RNA，或简称为

mRNA。

罗马尼亚血统的美国生物化学家帕拉德由于利用电子显微镜

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仔细观察，于

1956年发现，细胞质内制造酶的地方是一些微小的

颗粒，直径约为

2/1 000 000厘米。这些小颗粒富含

RNA，因此被

命名为核糖体。在细菌细胞里有多达

15 000个核糖体，而一个哺

乳动物细胞里的核糖体大概是这个数字的

10倍。

它们是最小的亚细胞颗粒或细胞器。人们很快就确定，

mRNA到达核糖体，把自己铺在一个或多个核糖体上，这样就使核

糖体成为合成蛋白质的场所。

美国生物化学家霍格兰又向前迈进了一步。他也曾积极地研

究过

mRNA。他证明，细胞质内有许多小

RNA分子，因为它们小

得能够自由地溶解在细胞质液体里，所以可以称为可溶性

RNA

或

sRNA。

在每个

sRNA分子的一端都是一个特定的核苷酸三联体，这

个三联体和

mRNA链上某地方的一个互补三联体正好配合，就是

说，如果

sRNA三联体是

AGC，它会和

mRNA上的一个

UCG三

联体紧密配合，而且只能在那里配合。在

sRNA分子的另一端是

一个点，在这个点上

sRNA只能结合一个特定的氨基酸而不能结

合别的。在每个

sRNA分子上，一端的三联体意味着另一端是一

个特定的氨基酸，因此，

mRNA上的一个互补三联体意味着附加

在它上面的只能是一个带着某种氨基酸分子的某种

sRNA分子。

大量的

sRNA分子会一个接一个地完全附加在构成

mRNA结构

的三联体（在一个特定基因的

DNA分子上模制过的三联体）上。

这样，所有排列好的氨基酸便很容易连接在一起，形成一个酶分

子。

因为

sRNA用这种方式把

mRNA的信息传递给酶的蛋白质

分子，所以

sRNA开始被称为转移

RNA（简称

tRNA），现在这个名

字已经确定下来。

1964年，美国生物化学家霍利领导的一个小组对丙氨酸转移

第十三章 细 胞

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RNA（附加在丙氨酸上的转移

RNA）分子进行了全面的分析。他

们是用桑格的方法进行这种分析的，先用适当的酶把这种分子分

解成小的片段，然后分析这些片段并推断它们必须怎样配合在一

起。丙氨酸转移

RNA是被全面分析的第一种天然产生的核酸，

结果发现，它是由一个有

77个核苷酸的链组成的。这些不仅包括

在

RNA中常见的

4种核苷酸（

A，G，C和

T），而且包括其他

7种

（在性质上和前

4种有密切联系）中的一些核苷酸。

最初人们曾经猜想，转移

RNA的单链会像发卡一样中间弯

曲而两端互相缠绕成双螺旋。丙氨酸转移

RNA的结构并不符合

这种假说。它似乎是由

3个环组成的，所以看上去非常像一棵倾

斜的三叶草。在以后的几年中，又对其他一些转移

RNA分子进

行了仔细的分析，似乎都具有同样的三叶草结构。由于这项工作，

霍利分享了

1968年的诺贝尔医学与生理学奖。

基因的结构就这样控制着某种特定酶的合成。当然，还有许

多问题需要解决，因为基因并不是简单地始终以最高的速度组织

酶的生产。现在基因的工作效率可能很高，过一段时间可能就慢

下来，再过一段时间可能完全停止工作。有些细胞以最大的能力

制造蛋白质，速度非常快，每个染色体每分钟大约结合

1 500万个

氨基酸；有些只是慢慢地制造；有些根本就不制造；但是在一个给

定的生物体内，所有的细胞都具有相同的基因结构。此外，还有

一点，生物体内的每种细胞都是高度特化了的，具有自己特殊的功

能和化学行为。一个细胞合成某种给定蛋白质的速度可能时快时

慢，但是，所有的细胞同样在任何时候都具有相同的基因

结构。

很明显，细胞具有阻断和开放染色体

DNA分子的方法。通

过这种阻断和开放的模式，具有相同基因型的不同细胞可以产生

不同的蛋白质组合，而一个没有改变基因型的特定细胞可以不时

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地产生不同的组合。

1961年，雅各布和莫诺提出，每种基因都有自己的抑制剂，由

一个调节基因负责编码。这种抑制剂可以阻断或释放基因（抑制

剂是阻断还是释放取决于其几何构型，细胞内环境的细微变化即

可改变它的构型）。1967年，这种抑制剂被分离了出来，原来是一

种很小的蛋白质。结果，雅各布、莫诺和他们的一位同事利沃夫一

起获得

1965年的诺贝尔医学与生理学奖。

自

1973年以来，经过艰苦的研究，发现

DNA的长双螺旋

似乎在一串组蛋白分子的一个核心周围缠绕形成一个第二螺旋

（一个超螺旋），所以有一个叫做核小体的连续单元。在这些核小

体里，有些基因被抑制，有些则具有活性，这要取决于结构的细节；

组蛋白可能与那种时常使活性基因抑制或活化的物质有点关系。

（照例，一旦深入研究细节，生物系统总是显得比预想的

复杂。）

信息的传递并不完全是单向地从基因传给酶，同样也有“反

馈”。因而，有一种基因能够形成一种酶，这种酶可以催化苏氨酸

转化成异亮氨酸的反应。异亮氨酸的存在不知为什么可以起到激

活抑制剂的作用，抑制剂就开始停止这种基因产生导致异亮氨酸

存在的那种特定酶。换句话说，当异亮氨酸的浓度增高时，它的合

成就减少；如果浓度下降，基因被开放，就会形成更多的异亮氨酸。

细胞里的化学机器（基因、抑制剂、酶、最终产物）非常复杂，而且相

互间有千丝万缕的联系，因此，不可能很快就全部搞清楚。

但是，还有另一个问题：哪一个密码子同哪一个氨基酸在一起

呢？1961年这个问题开始有了答案，这要感谢美国生物化学家尼

伦伯格和马太的研究。他们开始用的是一种人工合成的核酸，是

根据奥乔亚的方法只用尿嘧啶核苷酸制成的。这种多尿苷酸是

由……

UUUUUUUU……一个长链构成的，所以只具有一种密码

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

于

UUU。

尼伦伯格和马太把这个多尿苷酸加到一个含有各种氨基酸、

酶、核糖体以及合成蛋白质所必须的所有其他成分的系统里，从

这种混合液里偶尔发现了一种只由苯丙氨酸组成的蛋白质，这意

味着

UUU与苯丙氨酸是对等的。密码字典的第一个词条找

到了。

下一步是从以尿嘧啶核苷酸为主加入少量腺嘌呤核苷酸的溶

液里制备一种核苷酸；这样，同

UUU密码子一起，偶尔还会出现

UUA、AUU或

UAU密码子。奥乔亚和尼伦伯格证明，在这种情

况下，形成的蛋白质主要是苯丙氨酸，但也偶尔含有亮氨酸、异亮

氨酸和酪氨酸。

利用这类方法，使密码字典逐渐扩大。已经发现密码的确有

简并的。例如，

GAU和

GAC可以分别代表天门冬氨酸，而

GUU、

GAU、GUC、GUA和

GUG全都代表甘氨酸，此外，还代表一些标

点符号。密码子

AUG不仅代表甲硫氨酸，而且显然还表示一条

链的开始，可以说它就是一个大写字母；

UAA和

UAG却表示一

条链的终止：它们是句号。

到

1967年，密码字典就全部完成了（见表

13-1）。尼伦伯格

和他的同事印度血统的美国化学家科拉纳和霍利一起共同获得

1968年的诺贝尔医学与生理学奖。

然而，搞清楚遗传密码并不等于有了一个“愉快的结局”，即现

在所有的秘密都可以解释清楚了。（科学上大概没有这种愉快的

结局，这也是一件好事，因为一个没有秘密的世界该是多么的无

趣。）

遗传密码主要是通过细菌实验搞清楚的，而在细菌里染色体

和负责蛋白质合成编码的工作基因是挤在一起的。细菌是原核生

物，它们没有细胞核，但在整个小细胞里分布着染色体物质。

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表 13-1遗传密码表

左行是 RNA四个碱基的字头（尿嘧啶 U，胞嘧啶 C，腺嘌呤 A，鸟嘌呤

G），分别表示密码子三联体的头一个“字母”。顶上横排的四个字头分别表

示第二个字母。第三个比较不重要的字母排在最后一行。例如，酪氨酸或用

UAU编码，或用 UAC编码。

第一个第二个位置第三个

位置位置 U C A G

U

苯丙氨酸

苯丙氨酸

亮氨酸

亮氨酸

丝氨酸

丝氨酸

丝氨酸

丝氨酸

酪氨酸

酪氨酸

终止信号

终止信号

半胱氨酸

半胱氨酸

终止信号

色氨酸

U

C

A

G

C

亮氨酸

亮氨酸

亮氨酸

亮氨酸

脯氨酸

脯氨酸

脯氨酸

脯氨酸

组氨酸

组氨酸

谷酰胺

谷酰胺

精氨酸

精氨酸

精氨酸

精氨酸

U

C

A

G

A

异亮氨酸

异亮氨酸

异亮氨酸

甲硫氨酸※

苏氨酸

苏氨酸

苏氨酸

苏氨酸

天门冬酰胺

天门冬酰胺

赖氨酸

赖氨酸

丝氨酸

丝氨酸

精氨酸

精氨酸

U

C

A

G

G

缬氨酸

缬氨酸

缬氨酸

缬氨酸※※

丙氨酸

丙氨酸

丙氨酸

丙氨酸

天门冬氨酸

天门冬氨酸

谷氨酸

谷氨酸

甘氨酸

甘氨酸

甘氨酸

甘氨酸

U

C

A

G

※还有甲酸甲硫氨酸，密码子 AUG为起始信号。

※※密码子 GUG为起始信号。

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

对有细胞核（除细菌和蓝绿藻以外，所有的细胞都有细胞核）

的真核生物来说，情况就不同了。整个核酸和工作基因并不是牢

固地挤在一起。核苷酸链上用来给

mRNA编码的那些部分和蛋

白质（外显子）最终被可以说是毫无意义的链的片段（内含子）穿插

其间。控制生产一种酶的一个基因可能是由被内含子分开的一些

外显子组成的，而核苷酸链的缠绕方式可以把外显子集中在一起

给

mRNA编码。因此，本章前面估计人体细胞里有

200万个基

因，如果是指工作基因的话，则估计得太高了。

真核生物为什么要携带这种似乎非常沉重的负担，至今仍然

是个谜。也许基因一开始就是这样形成的。在原核生物里，为了

制造比较短的核苷酸链，使它们能够更迅速地复制，以利于更快地

生长和繁殖，所以把外显子处理掉了。在真核生物里，外显子没有

被删去，大概是因为它们可以提供某种不能立即看到的好处。无

疑，这个答案如果找到，一定会非常惊人。

同时，科学家们已经发现直接参与基因活性的方法。

1971

年，美国微生物学家内森斯和

H. O.史密斯对限制酶进行了研究。

限制酶能够在一个特定的核苷酸连接处（而不是别的地方）以特殊

的方式把

DNA链断开。还有另一种型式的酶，叫做

DNA连接

酶，能够把二股

DNA结合起来。美国生物化学家伯格用限制酶

把

DNA的二股切断，再重新组合成与原来型式不同的股。一个

重组

DNA分子就这样形成了，这个分子与原来的不同，大概与以

前存在过的任何分子都不同。

这项研究的结果使人们开始能够修饰基因或设计新基因：把

它们插入细菌细胞里（或真核细胞的细胞核里），就会形成具有新

的生化特性的细胞。结果，内森斯和

H. O. 史密斯分享了

1978年

的诺贝尔医学与生理学奖，而伯格分享了

1980年的化学奖。

重组

DNA工作显然有危险。无论是故意还是非故意，如果

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制造出的一种细菌细胞或一种病毒能对没有天然免疫力的人类产

生毒素，那该怎么办呢？如果这种新的微生物离开实验室，可能会

给人类造成无法形容的灾难性的流行病。出于这种考虑，伯格等

人

1974年呼吁科学家们在研究重组

DNA方面要自觉地坚持严

格控制。

但是，碰巧后来的经验证明，发生任何不幸事件的危险是很小

的。原先的警告太过分了。微生物里置入新基因后，产生的菌株

非常弱（一个非天然基因不容易与之共存），即使在最有利的条件

下，也只能勉强存活。

而且，重组

DNA的研究还可能带来很大的好处，除能够帮助

我们进一步了解细胞工作的细节特别是遗传的机制以外，还有更

多的直接利益。我们只要适当地修饰一个基因，或插入一个外来

基因，一个细菌细胞就可以变成一个小工厂，制造人类而不是其自

身所需要的某种物质的分子。

于是，在

20世纪

80年代，细菌细胞经过修饰已经能够制造

人的胰岛素（起了一个不吸引人的名字叫人岛素）。因此，总有

一天，糖尿病患者将不再依赖于从被屠宰动物的胰脏里所得到的

必然有限的供应，也不再使用供应充足但不理想的牛和猪的胰

岛素。

利用适当修饰过的微生物还可以得到其他蛋白质，例如干扰

素和生长激素，而且出现了无限的可能性。现在已经提出创造新

形式的生命能否申请专利的问题，对此人们不会感到惊奇。

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

生命的起源

当我们开始认真研究核酸分子时，我们就接触到我们能够接

近的生命的基础了。的确，这是生命本身最重要的物质。要是没

有

DNA，生物就不会繁殖，我们所说的生命也就不会开始。生命

的各种物质（酶以及由酶催化产生的所有其他物质）归根到底都是

由

DNA决定的。那么，DNA和生命是怎样开始的呢？

这一直是科学上不敢提出的一个问题，因为生命的起源与宗

教信仰的结合比地球和宇宙的起源更加牢固。时至今日，人们仍

然只是以犹豫和辩解的态度对待这个问题。苏联生物化学家奥巴

林写了一本名为《生命的起源》的书，把这个问题提到了一个显著

的地位。这本书

1924年在苏联出版，1936年发行了英译本。在

这本书里，完全按照唯物主义的观点第一次详细地论述了生命起

源的问题。由于苏联不像西方国家那样受到宗教顾虑的压抑，所

以这本书的出版不足为奇。

早期的学说

大部分的早期文化都发展出一些神话，讲述上帝或精灵创造

第一批人类（有时还有其他形式的生命）的过程。然而，很少有人

认为生命本身的形成完全是神的特权，至少，低等生物可能是由非

生物自然产生的，没有神的干预。例如，昆虫和蛆可能来自腐烂的

肉，青蛙来自泥土，老鼠来自霉烂的小麦。这种想法是根据实际观

察得来的，举一个最明显的例子，腐烂的肉的确会突然长出蛆来。

人们自然会设想，蛆是由肉形成的。

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亚里士多德相信自然发生说。中世纪的一些大神学家如托马

斯·阿奎那也都相信。还有哈维和牛顿。说到底，一个人亲眼看到

的证据是很难驳倒的。

第一个用实验验证这个信条的是意大利医生雷迪。1668年，

他决定检验一下蛆是否真是由腐烂的肉形成的。他把肉块分放在

数个罐子里，一些罐子口用细纱布盖上，另一些敞开着。结果，只

有敞口罐子里的肉生了蛆，苍蝇可以自由出入这些罐子。雷迪由

此断定，苍蝇在肉上产下极其微小的卵，蛆是由这些卵产生的。他

强调，如果没有苍蝇和卵，不管肉腐烂多久，也不会生蛆。

仿效雷迪的实验者证实了这个发现，于是，人们不再认为看得

见的生物来自无机物了。但是，在雷迪时期以后不久，人们发现了

微生物，许多科学家断定，至少这些形式的生命是由无机物变来

的。即使在纱布盖着的罐子里，肉很快也会开始长满微生物。在

雷迪实验后的两个世纪里，微生物可能使自然发生的信念一直非

常盛行。

首先对这个信念表示严重怀疑的还是一位意大利人，他就是

博物学家斯帕兰札尼。1765年，他摆出两组盛有肉汤的烧瓶，一

组开着口，暴露在空气里；另一组则先煮沸，杀死里面已有的任何

生物，然后再密封起来，不让可能在空气中浮动的任何生物进入。

第一组烧瓶里的肉汤很快就长满微生物，但煮沸后密封的肉汤却

一直保持无菌。斯帕兰札尼满意地证明，即使微生物也不能由无

生命的物质产生。他甚至还分离出一个单个的细菌，并看见它分

裂成两个细菌。

但这并没有使相信自然发生说的人信服。他们坚持认为，煮

沸破坏了某种生命的要素，所以在斯帕兰札尼煮沸后密封的烧瓶

里无法形成微生物。直到

1862年，巴斯德才似乎彻底解决了这个

问题。他设计了一个烧瓶，装有一个长鹅脖子似的横

S形瓶颈（见

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

图 13-7）。他拔去瓶口的塞子，使空气可以进入烧瓶，但灰尘颗

粒和微生物不能进入，因为弯曲的瓶颈可以起存水弯的作用，就像

厨房洗涤池下面的放泄弯管一样。巴斯德把一些肉汤放进烧瓶，

把横 S形瓶颈装上，再煮沸肉汤直到冒出蒸汽（把肉汤里和瓶颈里

的微生物全部杀死），然后等着看发展。结果肉汤仍然无菌，证明

空气里没有生命的要素。巴斯德的实验显然把自然发生说永久地

埋葬了。

所有这一切都给科学家留下了困惑的种子。如果生命既不是

神创的，又不是自然发生的，那么，它到底是怎样出现的呢？

图 13-7巴斯德检验自然发生说用的烧瓶

到 19世纪末，一些理论家走向另一个极端，认为生命是永恒

的。最流行的一种学说是阿伦尼乌斯（就是提出电离概念的那位

化学家）提出来的。 1907年，他出版了一本书，名为《宇宙在形成

中》，描述了一个一直有生命存在的宇宙，这些生命穿过空间进行

迁移，不断在新的星球上开拓居住地。生命是以孢子的形式旅行

的，孢子随意移动逃出星球的大气层，然后在太阳光压力的推动下

穿过空间。

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光的压力是一种可能的推动力，这种说法并不可笑。麦克斯

韦就首先预言辐射压力在理论上是存在的，而

1899年俄国物理学

家列别捷夫用实验证明这种压力确实存在。

当时，阿伦尼乌斯的观点认为，孢子被光辐射推动着，不断地

在星际空间里到处旅行，直到它们死去或落在某个星球上，在那里

它们会生长成活跃的生命并与已经存在的生命竞争，如果那个星

球还没有生命居住而又适合居住，它们就会给那个星球带去生命。

乍一看，这个学说显得很有吸引力。细菌孢子被一层厚被膜

保护着，非常耐冷和耐脱水，可以想象在真空的空间里会存活很长

的时间。而且，它们的大小正好使它们受太阳辐射向外压力的作

用大于太阳重力的向内引力。但是阿伦尼乌斯的说法在紫外线的

攻击下失败了。1910年，实验家们证实，紫外线能够迅速杀死细

菌孢子；而且在星际空间太阳的紫外线是很强的，更不要说其他一

些破坏性的辐射（如宇宙射线、太阳的

X射线以及像环绕地球的

范艾伦带那样的带电粒子区等）了。可以设想某个地方可能有抗

辐射的孢子，但是，据我们所知，由蛋白质和核酸构成的孢子无法

达到这种程度。诚然，

1966年，在双子座

9号航天器里，一些特别

有抵抗力的微生物受到外层空间的辐射，它们在未过滤的强烈阳

光下存活了

6个小时。但是我们所说的不是暴晒几个小时，而是

成年累月地暴晒。

此外，如果我们假设，地球上之所以有生命，是因为其他地方

产生的一些生命在地球上留下了种子，那么我们会问，生命在其他

地方又是怎样开始的呢？因此，这个种子的说法不能解决问题，只

是把问题转移到别的地方而已。

化学进化过程

虽然直到今天有些科学家仍然对传播种子的可能性很感兴

第十三章 细 胞

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趣，但是大多数科学家认为，应该弄清楚地球上生命起源的合理机

制。

他们又回到自然发生说，不过有一点不同：巴斯德以前的观点

认为，自然发生是在现在发生的，进展很快；现在的观点则认为，自

然发生是在很久以前，而且经历了一个非常缓慢的过程。

自然发生不可能在现在发生，因为任何物质即使接近最简单

形式的生命所需要的复杂性，都会被已经存在的无数种生命的一

种作为食物而吸收。因此，自然发生只能发生在还没有生命存在

的星球上，而

35亿年前的地球可能就是这种情况。

另外，生命也不可能在富含氧的大气里产生。氧是一种活泼

元素，它可以与构成接近生命的化学物质结合，把它们再分解。但

是，正如我在第五章中所谈到的，科学家们认为，原始大气是一种

还原大气，不含游离的氧。事实上，一种可能是，地球的原始大气

是由含氢的气体如甲烷（

CH4）、氨（

NH3）和水蒸气（

H2O）组成的，

也许还有一些氢（H2）。

这样一个高度氢化的大气，我们可以称之为大气Ⅰ。通过光

离解，大气Ⅰ会缓慢地变成由二氧化碳和氮组成的大气（见第五

章），可称为大气Ⅱ。此后，在高层大气里形成一个臭氧层，自发的

变化就停止下来。那么，生命会不会在大气Ⅰ或大气Ⅱ中就已经

形成了呢？

尤里认为，生命是在大气Ⅰ里开始的。

1952年，S. L. 米勒

（当时他是在尤里实验室工作的一位研究生）设计了一种模拟原始

大气的装置，他让水、氨、甲烷和氢的混合物在装置里循环，中间通

过一个放电器产生的电火花（模拟太阳的紫外线辐射）。一周后，

他用纸色谱法分析所得到的溶液，发现除了不含氮原子的简单物

质外，还有甘氨酸和丙氨酸（两种最简单的氨基酸），而且好像还有

一两种更复杂的氨基酸。

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S. L. 米勒的实验有几个方面值得注意。首先，这些化合物形

成得快而且多，数量令人吃惊，他在实验开始时加入的甲烷有

1/6

合成为更复杂的有机物，而实验仅仅持续了一周。

而且，在

S. L.米勒的实验中形成的那类有机分子正是活组织

中所具有的。这些简单分子会变得越来越复杂，它们所走的路径

似乎直接地朝向生命。在后来更精密的实验中，这个朝向生命的

进程一直在继续着，但从未大量形成过似乎朝向陌生的非生命方

向的分子。

于是，艾贝尔森仿效

S. L. 米勒的工作，以各种气体的不同组

合为起始物质，进行了多种类似的实验。结果发现，只要用含有

碳、氢、氧和氮原子的分子开始，就能形成蛋白质中通常具有的那

些氨基酸。电火花也不是实验的惟一能源。

1959年，两位德国化

学家格罗特和威森霍夫，设计了一种可以利用紫外线的实验，他们

也得到了氨基酸。

假如有人怀疑朝向生命是一条阻力最小的路径的话，请看这

样一个事实：20世纪

60年代后期，在外层空间的气体云里（见第

二章）发现的分子越来越复杂，这些分子代表着朝向生命的最初阶

段。如果是这种情况，那么，可能在由气体尘埃云形成地球的时

候，形成复杂分子的最初阶段就已经开始了。

所以，在地球刚形成的时候，可能就已经有许多氨基酸。

1970

年，人们找到了支持这个学说的证据。斯里兰卡出生的生物化学

家庞南佩鲁马研究了

1969年

9月

28日落在澳大利亚的一块陨

石。经仔细分析证明，陨石里含有微量的

5种氨基酸：甘氨酸、丙

氨酸、谷氨酸、缬氨酸和脯氨酸。这些氨基酸没有旋光性，所以它

们不是由生命过程形成的（因而它们的存在不是地球上污染的结

果），而是由

S. L. 米勒烧瓶里发生的那种非生命的化学过程形成

的。

第十三章 细 胞

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实际上，霍伊尔和一位印度同事威克拉马辛吉对这个发现留

下了极为深刻的印象。他们觉得这种合成远远超出了已经被发现

的东西。他们认为，在空间能够形成少量极微小的生命，虽然在天

文距离上探测不出来，却肯定具有重大意义。

不仅在遥远的气体尘埃云里，而且在我们太阳系的彗星里，都

可能形成这些小生命。因此，地球上的生命可能是由彗尾带给地

球的孢子开始的。（说实在的，几乎没有人把这个推测当回事。）

化学家们能不能在实验室里超越氨基酸阶段呢？这样做的一

个方法是，开始时使用较多种的原料，并让它们接受较长时间的能

源处理。这样就会产生越来越多的更复杂的产物。但是，这些产

物的混合物也会变得越来越复杂，因而更加难以分析。

化学家们可以利用的另一个方法是从后来的某个阶段开始，

可以把早期一些实验中形成的产物当作新的原料使用。

S. L.米

勒的一个产品是氰化氢。1961年，西班牙血统的美国生物化学家

奥罗把氰化氢加入起始混合物中，他得到了比较丰富的氨基酸混

合物，甚至还有一些短肽；他还合成出嘌呤，特别是腺嘌呤，它是核

酸的一个重要成分。1962年，奥罗利用甲醛作为原料之一，制造

出了核糖和脱氧核糖，也是核酸的成分。

1963年，庞南佩鲁马也做了类似

S. L. 米勒的实验，用电子束

作为能源，结果也有腺嘌呤形成。他和马里纳及萨根一起，进而把

腺嘌呤加入核糖溶液，在紫外线照射下形成了腺苷（一种把腺嘌呤

和核糖连接在一起的分子）。如果此时还有磷酸存在，磷酸也会被

连接起来，从而形成腺嘌呤核苷酸。假如加入

3个磷酸基，就会形

成腺苷三磷酸（

ATP）。在第十二章中已经讲过，腺苷三磷酸是活

组织的能量处理机制所必不可少的。1965年，他合成了二核苷酸

（2个核苷酸连接在一起）。如果在这个方面的各种实验所使用的

混合物里加入氨基氰（CNNH2）和乙烷（CH3CH3）一类的物质（这

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类物质在原始时期很可能存在），就会形成其他产物。因此，毫无

疑问，在原始的海洋和大气里，正常的化学和物理变化可能就是这

样发生的，从而形成了蛋白质和核酸。

在没有生命的海洋里形成的任何化合物都会保留和积聚起

来，因为没有生物（不论大小）去消耗它们或使它们腐烂。此外，原

始的大气中没有氧化和分解分子的游离氧，惟一可以分解复杂分

子的重要因素正是形成它们的紫外线和辐射能。不过，海流可能

把大量的这类物质带到了海洋中层的安全地带，既远离了紫外线

照射的海面，又远离了具有放射性的海底。实际上，庞南佩鲁马和

他的同事们已经估计出，足有

1%的原始海洋是由这些积聚的有

机物构成的。如果真是这样，这种物质会超过

1 000万亿吨。这

么大的数量足够各种自然力对付的了；在如此大量的物质中，即使

最复杂的物质也一定能在不太长的时期内形成（如果考虑到有

10

亿年的时间可供利用，就更不成问题了）。

因此，完全可以合乎逻辑地推测，随着时间的推移，从原始海

洋和大气的简单化合物里出现了浓度越来越高的比较复杂的氨基

酸和简单的糖类；氨基酸结合形成肽；嘌呤、嘧啶、糖和磷酸结合形

成核苷酸；又经过若干年代，逐渐形成了蛋白质和核酸。最后一定

会发展到关键的一步——通过偶然的组合，形成能够诱导复制的

核酸分子。这个时刻标志着生命的开始。

因此，在生命自身的进化以前有一个化学进化的时期。

似乎一个单个的生命分子就足以使生命开始发展并产生出整

个世界的各种不同的生物，正如一个单个的受精卵能够产生一个

非常复杂的生物一样。在当时构成海洋的有机“汤”里，第一个生

命分子可能成亿成亿地迅速复制和自身一样的分子。偶然的突变

会产生形式稍有改变的分子，而那些在某方面比其他分子效率更

高的分子会牺牲它的邻居而繁殖起来，从而取代那些旧分子。如

第十三章 细 胞

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果一组分子在温水中效率比较高，而另一组在冷水中效率比较高，

这样就会产生两个种，每个种都局限在最适合自己生存的环境中。

这样有机进化的过程就运转起来了。

即使一开始有多个独立存在的生命分子出现，也很可能效率

最高的一个比其他的都繁殖得快，所以今天所有的生命很可能是

由一个单个的原始分子传下来的。尽管现在存在着各种各样的生

物，但它们都具有相同的蓝图。它们的细胞都以大致相同的方式

进行代谢。此外，所有生物的蛋白质都是由

L-型而不是

D-型氨基

酸构成的，这一点似乎特别值得注意。也许发展成各种生命的原

始核蛋白碰巧是由

L-型氨基酸构成的；由于

D-型氨基酸不能与

L

型氨基酸结合成任何稳定的链，所以开始时碰巧由

L-型氨基酸构成

的蛋白质便一直自我复制而变得极其普遍了。（这并不意味着自然

界里完全不存在

D-型氨基酸。在某些细菌的细胞壁里和某些抗菌

素化合物里有

D-型氨基酸。不过，这些都是罕见的例子。）

最初的细胞

当然，从生命分子到我们今天所知道的生命仍然有很大的距

离。除了病毒以外，所有的生命都是由细胞构成的，而一个细胞

（不论以人为标准看上去多么小）在化学结构和相互关系方面是极

其复杂的。细胞是怎样开始的呢？

美国生物化学家

S. W.福克斯的研究阐明了细胞起源的问

题。他认为，地球在很久以前一定非常热，因此单靠热能就足以使

简单的化合物形成复杂的化合物。1958年，为了验证这个假说，

福克斯把氨基酸的混合物加热，发现它们形成了类似蛋白质分子

的长链。这些类蛋白可以被消化普通蛋白质的酶所消化，并可以

作为细菌的食物。

最令人惊奇的是，当福克斯把类蛋白溶于热水中并让溶液冷

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却时，他发现类蛋白会凝集成小中心球，大小像小的细菌。以通常

的标准来看，这些中心球不是活的，但它们的表现却和细胞一样，

至少在某些方面是如此（例如，它们都有一层被膜）。往溶液里加

入某些化学药品，福克斯可以使中心球膨胀或收缩，非常像普通的

细胞。它们能够产生芽，有时芽似乎长大一点，然后脱落下来。中

心球能够分裂，一个分裂成两个，也能够凝集成链。

可能在原始时期，地球上形成了许多种这样微小而不完全有

生命的物质聚合体。有些聚合体特别富含

DNA并且非常善于自

我复制，但只能一般地储存能量；另一些聚合体储存能量比较多，

却不善于自我复制。最后，这些聚合体可能结合在一起，互相合

作，互相弥补缺陷，从而形成了近代的细胞。细胞比组成它的任何

单独部分效率都高。近代的细胞至今仍然含有细胞核（富含

DNA，但自身不能利用氧）和许多线粒体（能非常有效地利用氧，

但没有细胞核不能进行自我复制）。（事实上，线粒体仍然具有少

量的

DNA，这表明线粒体可能曾经是独立的实体。）

诚然，近些年来，人们越来越怀疑大气Ⅰ没有持续多久，而大

气Ⅱ几乎在开始时就有了。例如，金星和火星都有大气Ⅱ（含二氧

化碳和氮），当地球像金星和火星那样没有生命的时候，可能也是

有大气Ⅱ。

这并不是一个重大的改变。二氧化碳、水蒸气和氮仍然能够

形成简单的化合物。大概在雷电的影响下，氮和二氧化碳或水（或

二者）结合，可以转化成一氧化氮、氰化物或氨；然后，在阳光和其他

能源的作用下，分子的变化继续朝着生命的方向发展。

动物细胞

在大气Ⅰ和大气Ⅱ存在的整个阶段，原始的生命形态只有靠

把复杂的化学物质分解成比较简单的化学物质，并把这个过程中

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

释放的能量储存起来，才能维持生存。比较简单的物质在太阳紫

外线辐射的作用下重新形成复杂的物质。一旦大气Ⅱ完全形成并

有了臭氧层，这些原始的生命形态挨饿的危险就会到来，因为紫外

线的供应切断了。

可是，到那时已经形成了一些类似线粒体的聚合体，它们含有

叶绿素（即近代叶绿体的祖先）。1966年，加拿大生物化学家霍德

森和

B. L. 贝克用吡咯和甲醛（二者都可以用更简单的物质以米

勒式的实验合成）作为起始物质，只经过

3个小时的温和加热，就

形成了叶绿素的基本结构卟啉环。

在臭氧层形成的时候，含有最初原始叶绿素的聚合体尽管不

能有效地利用可见光，但一定比逐渐饿死的无叶绿素聚合体好得

多。可见光能够轻易地穿过臭氧层，而且可见光比较低的能量（与

紫外线相比）足以激活叶绿素系统。

最初利用叶绿素的生物体可能还不如今天的单个叶绿体复

杂。实际上，现在有

2 000多种叫做蓝绿藻的单细胞光合作用的

生物体（它们并不全是蓝绿色，但最初研究的一些是这种颜色）。

它们都是非常简单的原核生物，结构和细菌非常相似，只是它们含

有叶绿素而细菌没有。蓝绿藻可能是原始叶绿体的最简单的后

代，而细菌可能是失去叶绿素的叶绿体的后代，它们靠寄生或从死

组织及其成分中获取养分。

当叶绿体在原始海洋中繁殖的时候，二氧化碳逐渐减少而为

分子氧所取代，于是形成了现在的大气Ⅲ。植物细胞的效率不断

提高，每个细胞都含有许多叶绿体。同时，没有叶绿素的精细细胞

已不能靠以前的基础生存，因为除了在植物细胞里，海洋里不再形

成新的食物。然而，这些细胞虽然没有叶绿素，却具有精细的线粒

体装备，可以高效率地分解复杂分子并把分解时的能量储存起来，

因此，它们可以靠摄取植物细胞和剥夺植物细胞辛苦合成的分子

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来生存。动物细胞就这样产生了。最后，生物体变得非常复杂，开

始留下我们今天所看到的动植物的化石记录。

同时，从创造新生命的观点来看，地球环境发生了重大改变。

生命再不能由纯化学进化来产生和发展了。首先，最早使生命出

现的能量的形式（紫外线和辐射能）基本上消失或至少严重地减小

了；其次，已经确立的生命形态会将自生的任何有机分子很快地消

耗掉。由于这两个原因，实际上已经不存在任何由非生命变为生

命的新的独立的突破（除非人类在将来学会某种方法去干预）。我

们可以认为，自然发生在今天是根本不可能的。

其他星球上的生命

如果我们接受这个观点，即生命只是由物理和化学定律的作

用产生的，那么，我们就会得出这样的结论，生命很可能不局限于

地球。在宇宙的其他地方生命存在的可能性又如何呢？

当最初人们认为太阳系的各个行星都是一个世界时，理所当

然地认为它们的上面都住有生命，甚至有智慧生命。后来发现月

球上没有空气和水，因此很可能也没有生命，对此人们感到有些震

惊。

在具有火箭和探测器（见第三章）的现代，科学家们确信，不仅

月球上没有生命，而且除地球以外，内太阳系的其他行星上也都没

有生命。

外太阳系也没有多少生命存在的可能性。诚然，木星有一层

深厚而复杂的大气，可见云层的温度很低，但云层内部的温度很

高。某些地方深度和温度都适当，并且已经知道有水和有机化合

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

物，人们会设想（如同萨根所提出的）那里可能有生命存在。如果

木星上有生命的话，三颗其他气体巨行星上可能也有生命。

此外，木卫二星上覆盖着一层冰；但是，由于木星潮汐效应会

使冰融化，所以冰下面可能是一个水的海洋。土卫六有一层由甲

烷和氮组成的大气，而且表面上可能有液态氮和固态有机化合物，

海卫一可能也是这种情况。可以设想，在这三颗卫星上可能存在

着某种形式的生命。

不过，这些都是推测而已。我们虽然可以满怀希望，但老实

说，不会得到什么结果。目前我们只能合理地假设，就太阳系来

说，似乎只有地球是一个生命的住所。但是，太阳系并不是宇宙的

全部。在宇宙的其他地方会不会有生命存在呢？

在已知的宇宙里，恒星总数估计至少有

1×1021（十万亿亿）

颗。在我们自己的银河系里，恒星数超过

2×1011（二千亿）颗。如

果所有这些恒星的发展过程都和我们所说的太阳系的形成过程一

样的话（即由大块的气体尘埃云凝集而成），那么，可能没有一颗恒

星是孤单的，而每一颗恒星都是含有不止一个星球的本星群的一

员。我们知道，有许多绕着一个共同中心旋转的双星。据估计，至

少有一半的恒星都属于含有两个或两个以上恒星的系统。

不过，我们真正需要的是一个多重星系，其中许多成员小得不

能自己发光，而且它们是行星而不是恒星。虽然到目前为止我们

还无法直接探测我们太阳系以外的任何行星（即使是最近恒星的

行星），但是我们可以收集间接的证据。在荷兰血统的美国天文学

家范德坎普的指导下，斯沃思莫尔学院的斯普罗尔天文台进行了

这项工作。

1943年，天文学家们发现，双重星系天鹅座

61中，有一颗恒

星运行有点不规则，他们推测一定还有第三颗小得不能自己发光

的星存在。这第三个成员（天鹅座

61C）的质量应该大约是木星的

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8倍，因此直径大约为木星的

2倍（假定它们的密度相同）。1960

年，又探测到一颗同样大小的行星在围绕着小恒星拉朗德

21185

运转（至少发现，用它的存在解释这颗恒星运行的不规则性最符合

逻辑）。1963年，对巴纳德恒星的仔细研究表明，那里也存在着一

颗行星，质量只有木星的

1～1.5倍。

在距离我们最近的恒星中，巴纳德恒星排第二位，拉朗德

21185排第三位，天鹅座

61排第十二位。一般来说，除非行星系

非常普遍，否则在这样靠近我们的地方存在着

3个行星系是极其

不可能的。当然，恒星的距离遥远，只能探测到最大的行星，甚至

连最大的行星也很难探测到。因此，哪里有超木星的行星存在，哪

里也会存在着比较小的行星，这种假设是完全合理的（甚至是必然

的）。

可惜，使人们假设这些太阳系外行星存在的观察很不清楚，而

且接近了能够观察的极限。天文学家一般都非常怀疑，这些行星

的存在已经真正得到了证明。

但是，一种新的证据接着出现了。

1983年，红外线天文卫星

（IRAS）绕地球轨道运行，它是为探测和研究天空中的红外线源而

设计的。8月，天文学家奥曼和吉勒特把探测系统对准了织女星，

他们惊讶地发现，织女星红外线的亮度比理论值大得多。进一步

的研究表明，红外辐射不是来自织女星本身，而是由靠近它的周围

发出的。

显然，织女星由一物质云层包围着，云层向外延伸的距离是冥

王星轨道到太阳的距离的

2倍。据推测，云层是由比尘粒大的粒

子组成的（或者它在很久以前就被织女星聚集起来了）。织女星比

我们的太阳年轻得多，因为它还不到

10亿年；同时，织女星的光度

是太阳的

60倍，所以星风比太阳强烈得多，星风可以起到不让粒

子聚集的作用。鉴于这两个原因，人们可以期望织女星有一个正

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

在形成过程中的行星系。在碎石组成的巨大云层中可能已经包括

一些行星般大小的物体，它们正在逐渐地清扫它们的轨道。

这一发现有力地支持了在宇宙中行星系大概就像恒星一样普

遍的假设。

但是，即使假设所有（或大部分）的恒星都有行星系，而且其中

许多行星如同地球般大小，我们还必须知道这些行星是否符合居

住的标准。美国空间科学家多尔在他的《适合人类居住的行星》

（1964）一书中，对这个问题作了特别的研究并得出某些结论，尽管

是推测，但很有道理。

他指出，首先，要拥有适合居住的行星，恒星的大小必须适当。

恒星越大，其寿命就越短；如果恒星过大，它的寿命就不足以让行

星完成形成复杂生命形态以前的漫长的化学进化过程。恒星过小

则不能给行星以足够的温暖，除非行星非常靠近恒星，但这样又会

受到潮汐效应的破坏。多尔的结论是，只有光谱型在

F2到

K1之

间的恒星才适合于给行星提供营养物，使人类在行星上舒适地生

活，这样的行星我们不需要太费力就可以定居下来（假如星际旅行

能实现的话）。多尔估计，在我们的银河系里有

170亿颗这样的恒

星。

这样的恒星可能拥有一颗适合居住的行星，也可能没有。多

尔估计了一个大小适当的恒星拥有一个质量适当、距离适当、公转

周期和轨道适当的行星的概率。在进行了他认为是合理的估计以

后，他断言，仅在我们的银河系里可能就有

6亿颗适合居住的行

星，而且其中每一颗都已经有了某种形式的生命。

如果这些适合居住的行星在整个银河系里分布得比较均匀的

话，多尔估计，每

8万立方光年里就会有一颗适合居住的行星。因

此，离我们最近的一颗适合居住的行星可能有

27光年远；而在距

离我们

100光年的范围内，可能共有

50颗适合居住的行星。

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在距离我们

22光年的范围内，多尔列出了可能拥有适合居住

的行星的

14颗恒星，并估计了每颗恒星具有这种现实性的概率。

他的结论是，在最靠近我们的恒星中最可能找到适合居住的行星，

它们是半人马座

α系里的两颗类似太阳的恒星：半人马座

αA星和

半人马座

αB星。多尔估计，这两颗结伴的恒星加在一起，拥有适合

居住的行星的概率为

1/10。所有

14颗邻近恒星的总概率约为

2/5。

如果生命是我们前面一节里所讲述的化学反应的结果，那么，

在任何类似地球的行星上都必然会发展出生命。当然，一个行星

可能拥有生命，但不一定拥有智慧生命。对于一个行星上是否可

能发展出智慧生命，我们还无法作出一个即使可以使人理解的猜

测。例如，多尔就非常小心，没有作这样的猜测。毕竟，我们的地

球，我们能够研究的惟一适合居住的行星，曾经有

30多亿年只存

在没有智慧的生命。

海豚和它的一些近亲可能是有智慧的，但是，作为海生动物，

它们没有肢体，因而不可能发展到使用火；因此，即使它们有智慧，

也不可能用来发展技术。如果只考虑陆地上的生命，那么，地球拥

有智慧超过猿猴的动物，也只有

100万年左右。

不仅如此，这还意味着，地球上拥有智慧生命的时间，是地球

拥有任何生命的时间的

1/3 500（粗略的估计）。如果我们可以说，

所有有生命的行星中，有

1/3 500的行星上拥有智慧生命，那么，

多尔所估计的

6.4亿颗适合居住的行星中，可能有

18万颗拥有智

慧生命。这样我们在宇宙里就远不是孤单的了。

多尔和萨根（还有我）都支持这种宇宙中有许多有智慧的生命

形态的观点，但是天文学家们并不一致赞成。因为他们已经仔细

研究过金星和火星，发现生命无法在那里生存，所以出现了一种悲

观的观点，认为我们可以期望形成生命并维持几十亿年之久的范

围是非常狭窄的，而地球非常幸运地在这个范围之内。只要地球

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

在这个方面有轻微的改变，或者它的一些特性中的任何特性发生

轻微的改变，就不会形成生命，或者即使形成了生命，也不会长期

存在。根据这种观点，每个银河系里可能只有一两个有生命的行

星，而整个宇宙中可能只有一两个行星上有技术文明。

克里克所持的观点是，每个银河系里都有相当数量的行星，既

适合于居住又没有产生生命所需要的非常狭窄的特性范围。这

样，生命可能在一个特定的行星上产生，一旦文明发展到能够进行

星际航行，就会扩展到别的地方。显然，目前地球还没有发展到星

际航行的地步，因此，很可能在几十亿年前，一些远方的旅行者在

访问地球时无意中（或有意地）给地球带来了生命。

这两种观点是目前主要的观点：一种是乐观的，认为宇宙里充

满了生命；另一种是悲观的，认为宇宙里几乎没有生命。两种观点

都是由某些假设推测出来的，都没有观察到的证据。

我们能够得到这样的证据吗？有什么方法能够在如此遥远的

距离上判断出一颗远恒星附近的某个地方存在着生命吗？我们可

以这样推断，任何形式的生命，如果聪明到能发展出和我们相当或

比我们更高的高科技文明，必定已经发展出射电天文学，因而一定

能够发射出射电信号，或者像我们在日常生活中经常使用无线电

一样，无意中发射出射电信号。

美国的科学家们认真考虑了这种可能性，他们在

F. D.德雷

克的领导下成立了一个叫做奥兹玛

①计划的机构，专门收听可能

来自其他世界的射电信号。这个设想是为了寻找来自空间的无线

电波的某种图式。如果他们探测到的信号具有复杂规则的图式，

而不是由射电星、空间被激发的物质或简单周期性的脉冲星发出

①美国作家鲍姆（

1856~1919）以虚构的奥兹国为背景，创作了一系列儿童读物，

很受欢迎。奥兹玛是奥兹国公主的名字。——译注

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的随机的、无规则的信号，那么就可以假定这种信号是地外某种智

慧生命发来的信息。当然，即使收到这种信息，要与遥远的智慧生

命进行联系仍然是个问题。发来的信息在路上已经走了许多年，

而回答也要经过许多年才能传给远处的发信号者，因为距离我们

最近的一颗可能适合居住的行星也有

4 13

光年远。

在奥兹玛计划期间，在不同时间收听过的天区包括以下方位：

波江座

ε、鲸鱼座

τ、波江座

o-2、印第安座

ε、半人马座

α、蛇夫座

70

和天鹅座

61。但是，接收了两个月，没有任何结果，这个计划就中

止了。

其他类似的计划时间更短，而且不如这个精密。不过，科学家

们还在梦想着某种比较好的方法。

1971年，美国国家航空和宇宙航行局奥利弗领导下的一个小

组提出了独眼巨人计划。这是一个射电望远镜的大阵列，每个射

电望远镜的直径为

100米；全部按行列排列；全部由计算机化的电

子系统统一操纵。整个阵列一起工作，相当于一个直径为

10公里

的单个射电望远镜。这种阵列可以探测到在

100光年的距离上无

意中发出的类似地球上的无线电波，而且可以探测到在

1 000光

年距离上的智慧生命有意发来的无线电信号。

建立这样一个阵列可能要用

20年的时间，并耗费

1 000亿美

元。（你可能会认为耗资太大，但请想一想，世界上每年在战争和

准备战争上就要耗费

5 000亿美元，相当于这个数字的

5倍。）

但是，人们会问，为什么要进行这种尝试呢？看起来我们成功

的可能性很小，即使成功了，又能怎样呢？我们真的能够理解星际

信息吗？然而科学家们有几个原因要进行这种尝试。

第一，这个尝试会提高射电望远镜的技术水平，从而促进人类

对宇宙的了解。第二，如果我们在空间寻找信息但一个也没有找

到，我们仍然可能找到许多有趣的东西。但是，如果我们真的探测

第十三章 细 胞

第十三章 细 胞

到一个信息而我们又不了解它，那又该怎么办呢？它对我们有什

么好处呢？

还有一种反对其他行星上拥有智慧生命的说法。他们说，如果

存在着这种智慧生命，而且他们的智慧超过了我们，那么，为什么他

们没有发现我们？地球上的生命已经存在了几十亿年，没有受到外

来影响的干扰（就我们所知），这起码足以证明没有外来影响。

其他的说法与此相反。他们认为，可能那个存在的文明距离

我们太遥远，没有办法到我们这里来。目前任何文明都没有发展

出星际旅行，我们相隔遥远，只能以长距离通信相互联系。他们也

可能已经来过地球，了解到地球上正在形成生命，而且最终会出现

文明，所以有意地不再打扰我们。

这两种说法都没有充分的证据。另外，还有一种比较有力但

非常吓人的说法。这种说法认为，智慧生命可能具有自我限制的

特性。每种生命一旦发展出足够的高科技，它就会毁灭自己，正如

我们目前的情况那样，核武器的储存越来越多，人口猛增，环境的

破坏日益严重，似乎正在一步步自我毁灭。假如是那样，那就不是

没有文明的问题，而是什么也没有了。可能有许多文明还没有达

到发射和接收信息的程度；有许多文明自我毁灭了；只有一两个文

明刚刚达到发射信息的程度，正要毁灭自己，但还没有这样做。

如果是那样，只要我们接收到一个信息，它就会向我们表明一

个事实：在宇宙的某个地方一个文明不管怎样已经达到了高科技

水平（很可能超过了我们），并且还没有自我毁灭。

如果那个文明已经设法生存下来，我们不是也可以设法生存

下去吗？

人类在其历史的这个阶段迫切需要这种鼓励，而我作为人类

的一员，对此也是翘首以待。

（陈亚娜 译）

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第十四章 微 生 物

细 菌

在 17世纪以前，人类所知的最小生物是微小的昆虫。当然，

人们理所当然地认为更小的生物是不存在的。所有的文化都以不

同的方式相信，有一种超自然的力量可以使生物隐而不见，但是没

有人想到自然界中会有小得看不见的生物。

放大的装置

假如有人怀疑过这种小生物存在的话，放大装置的应用就会

早得多。甚至古希腊人及罗马人就已经知道，某种形状的玻璃制

品可以聚集阳光于一点上，并且透过玻璃有放大物体的效果。例

如，一个装有水的玻璃管就可以使物体变大。托勒玫也曾讨论过

凸透镜的光学；在大约 1000年，阿拉伯作家海桑等人又将此项观

察发扬光大。

早在 13世纪，一位英国主教兼哲学家，同时也是一位热心的

业余科学家格罗斯泰斯特，最先提出放大装置的应用。他指出，透

镜有助于放大一些太小而不易看见的东西。他的学生 R. 培根遵

循这项提议，发明了用来改善视觉缺陷的眼镜。

最初是制造凸透镜来校正远视，大约到 1400年时，凹透镜才

第十四章 微生物

第十四章 微生物

被用来校正近视。印刷术的发明，使得对眼镜的需求日渐增加，并

且在

16世纪前，眼镜制造业成为一项技术性的职业，尤其在荷兰，

这已成为一种特殊的专业研究项目。

（远近两用眼镜可用来看远及看近，是

B. 富兰克林在

1760年

发明的。在

1827年，英国的天文学家爱里设计出第一副可校正散

光的透镜，因为他自己就深受散光之苦。

1887年，德国的一位医

生费克提出了隐形眼镜的构想，可能有一天会淘汰掉一般的老式

眼镜。）

让我们再来讲荷兰的眼镜制造家。早在

1608年，据说有一位

眼镜制造者的徒弟，名叫利珀希，他在休息的时候，取出两片透镜

一前一后地来观看物品。这位徒弟惊讶地发现，当他把它们置于

一定的距离时，观察到的远处景物，就像是近在眼前一样。这位徒

弟立即将他的发现告诉了主人，于是利珀希就开始着手制造第一

架望远镜，他是在一根管子内将两片透镜置于适当的位置。莫里

斯王子是一名在反抗西班牙战争中的荷兰军队司令官，他知道这

种仪器具有重要的军事价值，于是便将它视为机密。

但是利珀希并没有考虑到伽利略，当伽利略听到望远镜发明

的消息，并且知道它仅是由透镜制成的时候，便很快地发现了它的

原理，并开始制造他自己的望远镜，在利珀希发明望远镜后

6个月

内完成。

伽利略将他的望远镜里的透镜重新组合了一下，结果发现可

以放大一些排列紧密的物体，实际上，它就是一台显微镜。在以后

的几十年里，许多科学家都自行制造显微镜。意大利博物学家斯

特鲁蒂就利用显微镜来研究昆虫解剖；马尔皮基也借此发现了毛

细血管；而胡克则利用它发现了软木的细胞。

直到荷兰代尔夫特城的商人列文虎克着手研究显微镜时，人

们才真正了解到显微镜的重要性。他的显微镜可以将物体放大

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200倍。

列文虎克不加区别地观看了许多东西，并将所看到的情况详

细地描述下来，以书信的方式寄到英国皇家学会。后来，这位商人

便成为皇家学会的会员，这是科学民主的一个胜利。在他死之前，

英国女王及俄国沙皇彼得大帝都曾来拜访过这位出身卑微的代尔

夫特显微镜制造家。

通过他的显微镜，列文虎克发现了精子细胞，并确实地观察到

血液在蝌蚪尾部毛细血管里流动的情形。更重要的是，他是第一

位看到因太小而无法用肉眼观察到的生物的人。在

1675年，他从

腐水中发现了微小动物。另外，他还分辨出了微小的酵母菌细胞，

并终于在

1676年找到了病原菌，即现在所说的细菌。

显微镜的改进非常缓慢，经过了约一个半世纪，细菌般大小的

物体才能够较容易地加以研究。1830年，英国的眼镜商利斯忒设

计了一种消色差显微镜，它能排除影响影像清晰的色环。利斯忒

利用消色差显微镜发现红血球是双凹盘状的——就好像一个小圆

饼，中央凹陷，但不是一个洞。（红血球是荷兰医生斯旺默丹在

1658年首先发现的，他看到的是一些没有特征的小球。）这种消色

差显微镜是一巨大进步。到了

1878年，德国物理学家阿贝又开始

进行一系列的改进，才发明了现代的光学显微镜。

细菌的命名

显微镜下的生物新世界的成员逐渐有了它们的名字。列文虎

克所看见的微小动物，的确是一群动物，它们以微小颗粒为食，并

靠鞭毛、毛发状的纤毛或原生质（伪足）来移动身体。这些动物被

命名为原生动物（希腊文为“最早的动物”），而德国的动物学家西

博尔德鉴定其为单细胞生物。

病原菌比一般的原生动物还小，还简单。虽然有些病原菌可

第十四章 微生物

第十四章 微生物

以运动，但大部分都处于静止状态，而只进行生长及分裂生殖。它

们除了缺少叶绿素外，没有任何与动物相关的特性，因此它们经常

被分类在真菌中，真菌属于缺乏叶绿素并靠有机物质维持生命的

植物。今天大部分生物学家认为病原菌既不属于植物界，也不属

于动物界，应当自成一个纲。病原菌的英文名称（ germ）很容易被

误解，因为同一个单词也被用于种子的生长部分（如小麦幼芽）、性

细胞（如生殖细胞）、胚胎器官（如胚层）或任何具有生命潜力的小

物质。

1773年，丹麦的一位显微镜学家弥勒对这些小生物观察得非

常清楚，因而将其分为两种类型：杆菌及螺旋菌。奥地利的外科医

生比尔罗特，利用消色差显微镜观察到了更小的一种类型，称之为

球菌（源自希腊文“草莓”）。德国植物学家 F. J.科恩最后给它们

定了一个名字叫细菌（拉丁文“小木棍”的意思）（见图 14-1）。

巴斯德以微小生物一词泛指所有显微镜下的生物——动物、

图 14-1细菌的种类：球菌（ A）、杆菌（ B）及螺旋菌（ C）。每一类型都有许多变种

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植物及细菌。但是这个词很快被用来专指细菌而变得众所周知。

今天一般对于显微镜下的微小生物通称为微生物。

较大的生物，如多细胞动、植物（包括我们本身）的细胞，均属

真核生物。而原生动物（单细胞生物）则具有细胞核、线粒体及其

他细胞器。实际上，许多原生动物的细胞比我们身体的细胞还要

大而且复杂。比如，原生动物细胞必须具备一切与生命不可分离

的功能，而多细胞生物的细胞，则可以分化、互相依赖或互相供应

自身不能生产的产品。

单细胞植物称为藻类，它们的细胞与多细胞植物的细胞一样

复杂或更为复杂。藻类具有细胞核及叶绿体等细胞器。

然而，细菌则属原核生物，无细胞核或其他细胞器。真核生物

的遗传物质通常局限在细胞核内，而细菌的遗传物质则遍布于整

个细胞内。细菌还有一个特点，即它们的细胞壁主要是由碳水化

合物及蛋白质组成。细菌的直径大约为

1～10微米，比真核生物

的细胞小得多。

原核生物的另一群落是蓝绿藻，它们与细菌的区别主要是具

有叶绿素，并能进行光合作用，有时被称做蓝绿植物，与真核的单

细胞植物——藻类区分开来。

我们不应被细菌表面上的单纯性所迷惑。虽然它们不具细胞

核，并且在模仿有性生殖中似乎不转移染色体，但是它们却有一种

原始的性别。1964年，塔特姆及其学生莱德伯格进行了一系列的

观察，指出细菌有时候确实能将部分核酸由一个细胞转移到另一

个细胞。莱德伯格称此现象为接合生殖，结果他与塔特姆因此而

获得

1958年诺贝尔医学与生理学奖。

1952年，在接合生殖研究中，莱德伯格发现那些似乎会进行

交换的核酸分子呈环状而非直线状，他称此核酸环为质体。质体

是细菌所具有的最像细胞器的东西，它们带有基因，能控制某些酶

第十四章 微生物

第十四章 微生物

的形成，并能在细胞中间转移性状。

病原菌学说

巴斯德是第一位把微生物与疾病结合在一起的人，奠定了现

代细菌学的基础，这就是通常所说的微生物学。由于巴斯德非常

关心某些似乎属于工业而非医学的问题，才产生出这门科学。在

19世纪

60年代，法国丝织工业受到一种蚕病的影响而面临崩溃

的局面。曾经解救过法国造酒业的巴斯德，再次被请来解决这个

问题，如同以往研究不对称晶体以及酵母菌变种时那样，他再度利

用显微镜来观察，结果发现，微生物感染了蚕及蚕所赖以维持生命

的桑叶，他建议将所有已感染的蚕及桑叶全部销毁，并且用尚未感

染的蚕及桑叶重新开始做起。当这一步骤彻底实施之后，实验终

于取得了成功。

除了复兴蚕丝工业，巴斯德还做了许多这类的研究。他综合

了各方面的结论，从而发表了《病原菌学说》。毫无疑问，这是有史

以来最伟大的一项医学发现，而这位发现者却不是位医生，而是一

位化学家。

在巴斯德之前，医生只不过建议病人多休息，加强营养，呼吸

新鲜空气，并维持环境清洁，有必要时则做一些急诊。这些早在公

元前

400年就为希腊医生希波克拉底所倡导，希波克拉底提出理

性的医学观点，他不赞成阿波罗的箭及所谓被鬼纠缠的说法，而声

明即使是癫痫症这种所谓“神的疾病”，也不是因为某些神的影响

所造成的，而只是身体上的失调，必须疗养。此话一直未被后世所

遗忘。

然而，在以后的

2 000年中，医学的进步特别地缓慢，医生能

切除肿疱，调整骨折以及开一些民间所知的药方，如来自金鸡纳树

皮的奎宁（早期因秘鲁的印第安人嚼其树皮时，发现能治疗疟疾），

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以及取自毛地黄植物的毛地黄素（一种古代采药者的药方，可以刺

激心脏功能）。除了这些少数的治疗之外（还有天花疫苗，我将在

下面谈到），在希波克拉底之后，许多医生开出的药方及医疗，只会

使死亡率升高，而不是降低。

1819年，法国医生雷奈克发明了听诊器，这是进入科学时代

最初两个半世纪中诸多有趣的发明之一。它的原型就像一个木制

的管子，可用来帮助医生听测心跳的声音。从那时起，听诊器不断

推陈出新，使听诊器成为医生的特征及随身必备物品，就好像是工

程师口袋中的计算器一般。

直到

19世纪，即使是文明的国家也会定期地遭受传染病的

侵袭，有些病甚至在历史上有深远的影响。在雅典，正当伯罗奔

尼撒战争时，雅典政治家伯里克利死于传染病，因而导致希腊逐渐

走向灭亡。罗马帝国在奥里利厄斯统治时，也因传染病的袭击而

开始步向崩溃。

14世纪的黑死病，造成了大约

1/4的欧洲人口

死亡。传染病与火药在中世纪里严重地破坏了古代的社会

结构。

的确，当巴斯德发现传染病是因微生物造成及传播时，传染

病正方兴未艾。在印度，霍乱一直是地方性的疾病，在其他不发达

的国家也常发生严重的传染病。疾病一直是战时的一大危机，新

的病菌不断产生，并肆虐全球。

1918年的流行性感冒，估计死亡

了

1 500万人，这个数字比历史上其他任何一次传染病所造成的死

亡数目都要多，几乎接近当时刚结束的世界大战死亡人数的

两倍。

因此巴斯德的发现是一个伟大的转折点。自巴斯德对疾病的

研究与治疗开始，欧洲及美国的死亡率开始显著地下降，预期寿命

则稳定地上升，在世界上先进地区的男女寿命，现在可期望平均超

过

70岁。然而，在巴斯德之前，在良好的状况下平均寿命仅仅只

第十四章 微生物

第十四章 微生物

有

40岁；在不良的状况下，大概只有

25岁。自第二次世界大战

后，预期寿命在不发达的地区也急速上升。

识别细菌

早在巴斯德

1865年提出病原菌学说之前，一位维也纳医生

塞麦尔维斯已开始对细菌展开有效的反击，只不过当时尚不知所

攻击的是何物。他曾在维也纳一家医院的妇产病房工作，在那里

有

12%以上的母亲死于所谓的产褥热。塞麦尔维斯注意到一件

事：凡在家只靠那些无知的接生婆生产的母亲，就不会得产褥热，

而在医院里也有一位医生得了与产褥热非常相似的病症而死亡，

这件事更激发了他的怀疑。那位医生是在解剖尸体时割伤自己，

而后才发病死亡的。难道是这些医生和学生自解剖室出来后，

将此疾病传给了要生产的母亲吗？因此塞麦尔维斯坚持要医生用

漂白粉溶液洗手，结果一年内妇产病房的死亡率就从

12%降

到

1.5%。

但是老医生被激怒了，他们对因涉嫌谋杀而感到愤怒，并对洗

手感到羞辱，于是将塞麦尔维斯逐出医院（他们的借口是：他是匈

牙利人，而当时匈牙利已在反叛奥地利的统治）。塞麦尔维斯回到

了布达佩斯（匈牙利首都），不久便使当地产妇的死亡率降低了许

多。然而在维也纳，

10年之间，那些医院又变成了死亡的陷阱。

不幸的是，塞麦尔维斯自己在

1865年因一次意外的感染而死于产

褥热（当时他只有

47岁），没有看到关于他对疾病传染的怀疑所做

的科学证明：那一年巴斯德在病蚕体内发现了微生物，同时英国外

科医生利斯特（消色差显微镜发明者利斯忒之子）提出用化学方法

消毒。

利斯特所采用的武器是苯酚（即石炭酸），他最先使用苯酚来

为一位有创骨折的病人包扎。在此之前，所有严重的伤害都免不

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了受到感染。当然，利斯特的苯酚杀死了伤口周围的组织，但也杀

死了细菌，病人非常顺利地康复了。就在这次成功之后，利斯特便

用苯酚喷洒手术房。苯酚对人而言，可能闻起来很难受，但它却拯

救了很多人的性命。就如塞麦尔维斯的情形一样，仍有人反对，但

是巴斯德的实验已经创立了消毒的理论，因此利斯特轻易地获得

了胜利。

巴斯德在法国的发展多少有些困难（不像利斯特，他没有医学

博士的头衔），但他说服了外科医生要用水煮沸他们的用具，以及

用蒸汽来消毒绷带。巴斯德的蒸汽消毒法取代了令人难受的喷苯

酚法。接着，温和的消毒方式陆续被发现，这些方法能够排除过度

的组织伤害，从而达到灭菌之效。

1873年，法国医生达芬提出碘

的消毒特性，从此碘酊即碘与水的混合液，便成为常用的药剂。自

然，碘与其类似制品也被使用在各种擦伤上。因此，免于感染的机

会无疑就增加了。

事实上，寻找避免感染的方法渐渐地转向防止病菌的侵入（即

无菌处理），在细菌尚未获得立足之地之前就予以消灭。1890年，

美国外科医生霍尔斯特德提出使用消毒的橡胶手套进行手术；到

了

1900年，英国医生亨特又加了一项纱布口罩，以免病人自医生

的呼吸中感染上病菌。

与此同时，德国医生科赫已开始识别不同疾病的特殊细菌。

他在培养基的性质方面，作了重要的改进。所谓培养基即一种可

供细菌生长的食物。巴斯德使用的是液体培养基，而科赫则使用

固体培养基。他将分离出的样本接在胶质物上（后来为琼脂所取

代，这是由海藻制成的胶状物）。假如将一种细菌放置在培养基的

一个点上（用很细的针），则一个纯种的菌落会围绕着这个点长出。

在琼脂的固体表面上，细菌不能够像在液体里那样从原来的亲本

那里移动或漂移。科赫的一位助手皮特里提出使用有盖的浅玻璃

第十四章 微生物

第十四章 微生物

碟子，以免培养物遭受空气中飘浮的细菌抱子的污染，这就是皮氏

培养皿的由来。

用这种方法使单个细菌生长成菌落，然后可以分别加以培养，

并可用于动物体内，检验会造成何种疾病。这项技术不仅可以辨

认出某种特定的感染，而且可以提供各种不同的处理实验，以期杀

死专门的细菌。

科赫利用他的新技术，于

1882年分离出一种引起炭疽病及肺

结核的杆菌。1884年，他又分离出引起霍乱的细菌。1883年时，

德国病理学家克莱布斯根据科赫的方法也分离出了白喉病菌。科

赫于

1905年荣获诺贝尔医学与生理学奖。

化学疗法

一旦细菌被识别出来之后，下一步便是要寻找一种能够杀死

细菌又不会伤害病人的药剂。曾与科赫一起工作的德国医生兼细

菌学家

P.埃尔利希，便专心从事这一方面的工作，他认为必须要

寻找到一种“神奇的子弹”，只打击细菌而不会伤害人体。

P.埃尔利希对给细菌染色的染料很感兴趣，这与细胞研究有

着重要的关系。细胞在原始状态下是无色透明的，因此无法看清

其内部的细节。早期的显微镜学家曾试图利用染料对细胞染色，

但直到珀金发现苯胺染料后（见第十一章），这个技术才得以应用。

虽然

P.埃尔利希并不是第一位使用合成染料来染色的人，但是在

19世纪

70年代后期，他详细地研究出这方面的技术，于是引导出

了弗勒明对有丝分裂的研究以及福尔根对染色体中

DNA的研究

（见第十三章）。

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但是

P.埃尔利希心中另有计划，他将这些染料专门用作杀菌

剂。这种染色剂对细菌的作用比对其他细胞作用强，可以有效地

杀死细菌，即使这种染色剂低浓度地注射到血液中，也不会伤害病

人的细胞。到了

1907年，P.埃尔利希发现了一种叫锥虫红的染

料，可以染锥体虫，后者与可怕的非洲昏睡症（由催催蝇传播的一

种疾病）有关。如果以适当剂量的锥虫红注入血液中，可以杀死锥

体虫而不会伤害患者。

P.埃尔利希并不以此为满足，他想得到一种更有效的微生物

杀剂。假定锥虫红分子具毒性的部分是偶氮结构，即一对氮原子

结构（－N＝N－），他认为一对类似的砷原子结构（－As＝As－）

也应具有同样的功效。砷在化学方面类似于氮，但比氮更具有毒

性。P.埃尔利希开始不加选择地试验各种砷化物，边试验边给它

们编排顺序。1909年，P.埃尔利希的一位日本籍学生秦佐八郎将

以往不能杀死锥体虫的六〇六化合物，在梅毒病菌上试验，结果证

明它能杀死这种螺旋体微生物。

P.埃尔利希立刻认识到，他已偶然碰到了比治疗锥虫病更为

重要的东西，锥虫病只是局限在热带地区的一种传染病，而梅毒自

哥伦布时代以来，成为欧洲的隐患已有

400多年。人们认为，哥伦

布的人从加勒比海地区的印第安人身上将此病带回了欧洲，同时，

欧洲人也将天花传给了印第安人。当时对于梅毒不仅无法医治，

而且患者都装作很规矩的样子，无声无息地隐瞒此种疾病，因此使

这种疾病毫无阻挠地散布开来。

P.埃尔利希把他的余生（他死于

1915年）全部倾注在以化合

物六〇六（即他所谓的安全砒霜——洒尔佛散，化学名称胂凡纳

明）抵抗梅毒上。这种药虽然可以治疗梅毒，但是使用起来并不是

没有危险性，P.埃尔利希警告各医院必须正确地使用它。

自

P.埃尔利希起，化学疗法进入了一个新的阶段。药理学，

第十四章 微生物

第十四章 微生物

这个研究除食物以外的化学品（即药品）对生物的作用的科学，终

于单独成为

20世纪医学的一个分支。胂凡纳明是第一种合成药

物，它不同于奎宁等植物药剂或矿物药剂。

磺胺药剂

每一种疾病都能找到独特而适当的解毒剂。但是在

P.埃尔

利希发现六〇六之后的

25年内，新药品的调剂师都不够幸运。德

国的化学家在

1924年合成了扑疟喹啉，并在

1930年，合成了阿的

平，这些合成药可用来代替奎宁治疗疟疾，这可算是惟一的成功。

第二次世界大战日本占领爪哇岛时，这些药对于在丛林区作战的

西方部队是非常有帮助的。当时爪哇是世界的奎宁供应中心，这

些奎宁就像橡胶一样，已从南美洲移到东南亚。

1932年有了新的突破：一位名叫多马克的德国化学家将一种

新的红色染剂百浪多息注射到感染了致命溶血链球菌的小白鼠体

内，这只小白鼠竟然没有死！他又将它使用在即将死于链球菌败

血症的女儿身上，结果他女儿也活了过来。在

3年内，百浪多息就

获得了世界声誉，它可以阻止人身上的链球菌感染。

奇怪的是，百浪多息在试管中不能杀死链球菌，只有在体内才

有效。巴黎巴斯德研究所的特雷弗尤尔以及他的同事认为，人体

必定会将百浪多息转变成某种其他的物质，这种物质可以对细菌

产生作用。他们进一步将百浪多息分解为有效的碎片，名为磺胺。

对于这种化合物他们于

1908年草率地提出一个报告，但很快就被

遗忘了。磺胺的结构式如下：

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NH2

C

CH CH

CH CH

C

O

SO

NH2

磺胺是“灵丹妙药”中的第一种，一种又一种的细菌被它杀死。

化学家们发现，用不同的基来取代含硫基中的氢原子，可以得到一

系列的化合物，而每一种都有不同的抗菌性。磺胺吡啶于

1937年

出现，磺胺噻唑于

1939年出现，

1941年则出现了磺胺嘧啶。现在

医生可以从一整组磺胺药物中，选择适当的药物来对付不同的感

染。在医药先进的国家里，细菌性疾病的死亡率，特别是肺炎球菌

性肺炎显著地下降了。

多马克在

1939年获诺贝尔医学与生理学奖，正当他写接受奖

金的例行函件时，却被盖世太保逮捕了。纳粹政府以自己特殊的

理由而与诺贝尔奖断绝关系，多马克也只好拒绝受奖，直至第二次

世界大战之后，他才终于能自由地接受这份荣誉，到斯德哥尔摩正

式领奖。

抗菌素

磺胺药剂只有一段短暂的全盛时期，因为它很快就被抗菌素

的发现夺去了光彩，这种抗菌素是一种更具效能的抗菌武器。

所有具有生命的物质，包括人类在内，最后都会被分解、腐败

而转变为土壤，而这些尸体以及活生物排出的废物中伴随着很多

第十四章 微生物

第十四章 微生物

传染疾病的细菌。那么，为什么传染性的细菌很少能在土壤中存

活呢（炭疽杆菌是这少数中的一种）？许多年前，细菌学家开始怀

疑土壤中可能含有可以破坏细菌的微生物或物质。例如早在

1877年，巴斯德已经注意到某些细菌会因其他菌的出现而死亡。

假如这种怀疑是正确的，那么土壤中的许多生物也会使其他生物

死亡。据估计，每

4 074平方米（

1英亩）的土壤中含有大约

908公

斤（2000磅）的霉菌、

454公斤（

1000磅）的细菌、

90.8公斤（

200

磅）的原生动物、45.4公斤的藻类以及

45.4公斤的酵母菌。

法国血统的美国微生物学家迪博，是专门从事寻找土壤内杀

菌剂的学者之一。1939年，他从一种叫短杆菌的土壤微生物中分

离出一种物质，叫短杆菌素，从这种物质中，他又分离出两种能杀

菌的化合物，分别命名为短杆菌肽及短杆菌酪肽。这些物质被证

明是含有

D-氨基酸的肽。

D-氨基酸是普通

L一氨基酸的镜像，大部

分天然蛋白质是由

L-氨基酸构成的。短杆菌肽和短杆菌酪肽就

是这样最早生产的抗菌素。但是早在

12年前就发现了一种抗菌

素，这种抗菌素后来被证明是十分重要的。不过这只是在一篇科

学论文中提到的。

英国的细菌学家弗莱明一天早晨发现，他放在工作台上培养

的葡萄球菌（一般会化脓的细菌）被某种物质污染而杀死。在培养

皿中，被杀死的葡萄球菌区域内有一些清楚的小圆点。对杀菌有

着浓厚兴趣的弗莱明（他曾在眼泪中发现一种具有杀菌力的

酶——溶菌酶）立刻研究是什么物质杀死了细菌，后来发现是一种

平常的面包霉菌——特异青霉菌，这种霉菌所制造的一些物质，他

称之为青霉素，是细菌的致命物。弗莱明在

1929年，忠实地宣布

了他的成果，但是当时并没有引起医学界特别的注意。

10年之后，英国的生物化学家弗洛里以及他的一位德国同

事，对这项快被遗忘的发现产生了兴趣，并从事分离这种抗菌物质

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的工作。到

1941年，他们得到一种临床上对许多革兰氏阳性细菌

非常有效的提取物。（革兰氏阳性细菌是指能被

1884年丹麦细菌

学家革兰所发明的被一种染色剂染上颜色的细菌。）

因为战时的英国没有能力制造药物，弗洛里就到美国帮助制

定一项计划，发展纯化青霉素的方法，并利用霉菌加速其生产，在

1943年一年中就有

500个用青霉素治疗的病例。到了战争末期，

青霉素正处于大量制造与使用的时期，不仅大量取代了磺胺药剂，

而且在整个应用医学上，成为（并仍然是）最重要的药物之一。它

对许多种传染病都颇具效力，包括肺炎、淋病、梅毒、产褥热、猩红

热以及脑脊膜炎（有效范围叫做抗菌素谱）。在实际应用上，除了

个别人对青霉素有过敏现象外，它几乎毫无毒性及副作用。

1945年，弗莱明、弗洛里以及钱恩共同获得了诺贝尔医学与

生理学奖。

青霉素的出现使人们对其他抗菌素开始了难以置信的精心探

索。1943年，瓦克斯曼从链霉菌属的一种土壤菌中，分离出一种

叫链霉素的抗菌素。链霉素可以打击革兰氏阴性细菌（不易被革

兰氏染色剂染上颜色的细菌），而其最大的成功是能抵抗结核杆

菌。但是链霉素与青霉素不同，它具有毒性，必须小心使用。

由于发现链霉素，瓦克斯曼获得了

1952年的诺贝尔医学与生

理学奖。

氯霉素是另一种抗菌素，氯霉素是于

1947年从链霉菌属的霉

菌中分离出来的。氯霉素不仅能攻击革兰氏阳性及阴性细菌，而

且能攻击某些较小的生物，特别是那些斑疹伤寒及鹦鹉病（即鹦鹉

热）的小生物，但其本身也具有毒性，必须小心使用。

在仔细地检验了数以千计的土壤样本后，发现了一个完整系

列的广谱抗菌素——金霉素、土霉素、无色霉素等。其中第一个是

金霉素，它是由达格尔及其同事在

1944年分离出来的，

1948年市

第十四章 微生物

第十四章 微生物

场上开始出售。这些抗菌素都称为四环素，因为每一种分子都包

含四个并排的环，它们对大多数传染病具有抵抗效果，而使得传染

病例下降到令人兴奋的低度。（当然，由于我们不断地征服了传染

病，人类患新陈代谢疾病的机会便大大地增加了。在近

80年中，

代谢失调的糖尿病发生率已增加了

10倍之多）。

抗药性细菌

在化学疗法的发展过程中，主要的阻力是细菌的抗药性菌株

迅速增加。例如在

1939年对所有的脑膜炎及肺炎球菌性肺炎施

用磺胺药物后，都有很好的疗效。但

20年后，却只剩下一半的病

例有效了。其他各种抗菌素的效果也随使用时间的延续而愈来愈

差。这并不是细菌学会了抵抗，而是“正宗”的菌株被杀死后，其中

具有抗药性的突变株又繁衍兴盛起来，在正常情况下，突变是缓慢

的，在真核生物中，尤其是多细胞生物，在每一代里，靠着基因与染

色体的不断组合，变异的速度有所加快。然而，细菌的突变更迅

速，因为细菌繁殖得非常快，只要有少数的亲代就可以产生无数后

代。尽管有效的突变非常缓慢，但是突变的绝对数目仍然是很高

的。

而且，制造这种酶所必需的基因在质体中经常可以发现，并且

能由一个细菌转移到另一个细菌，造成这种抗药特性快速地传播。

在医院里，抗药菌株的危险性是最大的，因为那里抗菌素使用

频繁，并且病人对传染病的抵抗力也低于正常人。某些新的葡萄

球菌株能顽强地抵挡抗菌素，例如在妇产医院的病房里，医院型葡

萄球菌曾是严重的忧虑，它甚至在

1961年被当作头条新闻，刊登

影星

E. 泰勒患了这种抗药性细菌所引起的肺炎而几乎丧命的消

息。

可以庆幸的是，对一种抗药性菌株无效的抗菌素，却能对抗另

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一种抗药性菌株。新的抗菌素以及旧抗菌素的改良合成，足以继

续对抗突变种。最理想的是能找出一种抗菌素，而此抗菌素是任

何突变种所不能免疫的，于是便无幸存的特殊细菌可以繁衍下去

了。有许多此类的抗菌素已被制造出来，例如一种经改良的青霉

素，叫做新青霉素，在

1960年被合成出来。它是部分合成的，因为

它的分子结构对细菌是陌生的，所以它的分子不会被分裂，而且它

的活性也不会被青霉素酶（最先被钱恩发现）所破坏，这种酶是抗

药性菌株用来破坏一般青霉素的有利武器。因此，新青霉素乃是

抗药性菌株的克星，例如

E.泰勒的性命就是靠它拯救的。然而，

能抵抗合成青霉素的葡萄球菌也逐渐演化出来。看来，药剂与细

菌间的斗争将永无休止。增加的杀灭抗药性菌株的药物是各种其

他新的抗菌素和经过改进的旧抗菌素。我们只能希望顽强多变的

化学在对抗顽强多变的病菌的斗争中继续保持优势。

杀虫剂

人类在扑灭另一大天敌——昆虫时，也遭遇到类似抗药品系

的问题。昆虫不仅严重地与人类竞争食物，而且也会传播疾病。

近代化学对昆虫的防御始于

1839年，当时瑞士化学家

P.米勒研

制了二氯二苯三氮乙烷，即滴滴涕（DDT）。P.米勒因这项成就获

得

1948年的诺贝尔医学与生理学奖。

在当时，

DDT广为使用，使得家蝇产生出抗药性的品系，因此

新的杀虫剂（或者用一个把灭鼠或除草等化学品都包括在内的更

概括的名词农药）必须继续开发出来。

此外，有许多人对于我们滥用化学药物来与生物作战颇多议

论，他们担心科学会使越来越多的人完全靠化学药物来维持生命；

深恐一旦技术稍有失误，会使人类为传染病及各种疾病所残害而

大批死亡，因为人类一直是用化学的防御工事抵挡的，缺乏天然的

第十四章 微生物

第十四章 微生物

抵抗力。

关于杀虫剂本身，美国科学家兼作家卡森

1962年写过一本

《寂静的春天》，书中戏剧性地描述了人类滥用化学药物会将无害

甚至有益的生物一起杀死的可能性。卡森认为，不加考虑地毁灭

生物，将会导致各种生物相互依赖的生态系统严重混乱。因此，化

学药物的滥用，到最后对人类会弊多利少。这种对生物种类间相

互关系的研究，我们称之为生态学。无疑，卡森的书激发了对这一

生物学分支的重视。

当然，解决的方法并非放弃科学技术发展，也不能放弃所有对

昆虫控制的企图（疾病与饥饿的代价太高了），而是要寻找比较特

殊并且对一般生态结构破坏较少的方法。

比如，昆虫有它们的天敌，这些天敌不论是昆虫的寄生虫还是

食虫生物，都可加以助长培养；另外，声响和气味也可用来驱逐或

诱杀昆虫；而利用辐射可以使昆虫不孕，凡此种种的努力，都值得

采用。

美国生物学家

C. M. 威廉斯提出一种有效的杀虫方法，就是

利用昆虫自己的激素。昆虫会定期地蜕皮，并且要经历三个特定

的时期：幼虫、蛹及成虫，这些复杂的变化过程均受激素的控制。

有一种青春激素可以阻止成虫期的发育。若把此种激素分离出

来，并加以运用，则昆虫将无法到达成虫期，而不能传宗接代。每

一种昆虫都有其特定的青春激素，并且只受本身青春激素的影响。

一种青春激素只可以用来攻击一种特定的昆虫，而不会影响到其

他种类的昆虫。生物学家分析了此种激素的结构后，认为可以合

成更便宜而有效的激素。

简言之，解决科学进步所带来的副作用，是设法小心而明智地

运用科学进步，而不是采取放弃的态度。

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化学疗法的功效

对化学药物作用方式的最佳猜测似乎是，每一种药物都能以

竞争的方式抑制微生物体内某种重要的酶。其中最好的实例是磺

胺药剂，它们与对氨基苯甲酸非常相似，其结构式为：

NH2

C

CH CH

CH CH

C

CO

OH

对氨基苯甲酸是合成叶酸所必需的，叶酸是细菌以及其他细

胞代谢中很重要的一种物质。一种以吸收磺胺分子替代对氨基苯

甲酸的细菌，便无法合成叶酸，因为它解除了合成过程中酶的作

用，于是，细菌便停止生长与繁殖；另一方面，病人体内的细胞并不

受影响，它们从食物中获取叶酸，而不需要自行合成。在人体细胞

中没有可被适当浓度的磺胺药剂抑制的酶。

即使人体细胞与细菌具有相同的酶，仍有其他选择性地攻击

细菌的方法。细菌的酶对某种特定的药物可能比人体细胞的酶更

为敏感，所以一定的剂量可以杀死细菌，而不会对人体细胞造成严

重的干扰。甚至可以采用一种适当合成的药物，能穿透细菌的细

胞膜，而不能穿透人体的细胞膜。例如，青霉素可以干扰细菌细胞

壁的形成，而动物细胞是没有细胞壁的。

抗菌素也是靠对酶的竞争性抑制来发挥其效用的吗？这个答案

尚未完全明了。但有充分的理由相信，至少有一些抗菌素是如此。

第十四章 微生物

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先前提到的短杆菌肽及短杆菌酪肽，含有自然界中所缺少的

D-氨基酸，或许此氨基酸阻碍了利用自然界的

L-氨基酸来合成化

合物的酶；另一种肽抗菌素——枯草杆菌，含有鸟氨酸，此氨基酸

可抑制酶利用精氨酸（类似鸟氨酸）。链霉素的情形也是一样，它

的分子含有一种奇特的变种糖，这种糖可以干扰某些与活细胞中

正常糖作用的酶。此外，氯霉素类似苯基丙氨酸；部分青霉素分子

类似半胱氨酸，在此二者中，竞争性抑制可能更为强烈。

有关抗菌素竞争作用最明显的证据是嘌呤霉素，这是由一种

链霉素合成的物质，此种化合物的结构跟核苷酸（核酸的基本单

位）非常相似。霍普金斯大学的亚莫林斯基及其同事指出，嘌呤霉

素与转移

RNA竞争，阻碍了蛋白质的合成；同时，链霉素干扰转

移

RNA，可造成基因密码的误读，而形成无用的蛋白质。不幸的

是，这种干扰除细菌外，对其他细胞也造成毒性，因为它阻碍其他

细胞所必需的蛋白质的正常合成。因此，嘌呤霉素过于危险，不能

使用，链霉素与嘌呤霉素的情况也差不多。

有益的细菌

通常人们的注意力都集中在那些致病而有害（就人类观点而

言）的细菌。然而，这类细菌只占全部细菌的一小部分。据估计，

如果有一个有害的细菌，相对就会有

30 000个无害、有用甚至必

需的细菌。假如我们按照种来计算，那么在已经识别的

1 400种

细菌中，只有

150种会引起人类或人类所栽培的植物和驯养的动

物的疾病。

让我们考虑如下事实：无论何时何地都有数不尽的有机体死

亡，其中被一般动物吃掉的只占较少的部分。约

10%以下的落叶

及

1%以下的死树被动物吃掉，剩余的部分都成为真菌或细菌的

食物。要不是有这些分解者，特别是人们常说的腐生细菌，那么动

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物无法消化的物质会在生物界里不断堆积，占有生物所需空间的

比例日益增加，长此下去，就不会再有生物存在的地方了。

尤其是纤维素，对多细胞动物而言是不易消化的，即使像牛和

白蚁这类以富含纤维的草木为食的动物，它们也只能靠生活在其

消化道内的无数细菌才能将之分解。正是这些细菌分解纤维素才

使之在整个生活周期中起着积极的作用。

另外，所有的植物都需要氮，用来制造氨基酸和蛋白质。动物

也需要氮，但必须从植物中获取（先由植物合成氨基酸与蛋白质）。

植物从土壤的硝酸盐中获得氮，然而，硝酸盐是一种可溶于水的无

机盐类，雨水会将它从土壤中淋溶掉，使土地变得不肥沃。如果真

是这样，至少在陵地上就不会有植物存在了，同时也只有靠海中生

物维持生命的动物才能生存下去。

事实上，尽管经过几百万年的雨水冲淋，土壤中还是存有一些

硝酸盐，那么，这些硝酸盐又是从何而来的呢？空气中的氮是最重

要的来源。但是动植物均无法利用气态氮（其化学活性相当差），

也无法将其固定为化合物的形式。然而，自然界中存在着一种固

氮细菌，它们能够将大气中的氮转变为氨。一旦氨形成之后，便很

容易被硝化细菌转变为硝酸盐。要是没有这些细菌（以及蓝绿藻）

的作用，则陵地上的生命将不可能存在。

（当然，借助于现代的科学技术，如第十一章所提的哈伯法，人

类也能够固定空气中的氮，但这是陆地生命存在了千百万年以后

的事了。如今，工业固氮已达到了能与自然脱氧作用相抗衡的地

步。自然脱氧作用仍须靠其他细菌来将硝酸盐再转变成气态氮。

倘若在河流及湖泊中有过多硝酸盐聚积，则会助长藻类的生长，导

致水中高等生物如鱼类的死亡，最终破坏整个生态系统的平衡。）

不同种类的微生物（包括细菌在内），从史前时代就一直为人

类直接利用。不同的酵母菌（一种单细胞真菌，属真核生物）可将

第十四章 微生物

第十四章 微生物

糖和淀粉转变为醇及二氧化碳，因此，自远古以来就被用来将水果

及谷物发酵制成酒与啤酒，利用二氧化碳的产生将面粉转变为松

软膨大的面包以及面食。

霉及细菌还能促成其他的变化，例如将牛奶转变为酸乳酪或

各式各样的乳酪。

现代的工业微生物学可以培养出特殊菌株的霉与细菌，从而

制造出具有药理价值的物质，如抗菌素、维生素或氨基酸，或其他

具有工业价值的生物制品，如丙酮、丁醇或柠檬酸。

利用基因工程技术，可增强细菌及其他微生物已有的能力，如

固氮作用，或培养出新的能力，如在适当的条件下，氧化碳氢化合

物分子的能力，可用来清除油脂。它们也可以合成人们所需要的

物质，如不同的血液成分及激素。

病 毒

许多神奇的药物对细菌性疾病十分有效，但对病毒性疾病却

很少见效，许多人对此感到迷惑不解。病毒只有在自身繁殖的时

候，才能引起疾病。那么为什么不能像阻止细菌一样，阻止病毒的

繁殖呢？只要你了解病毒是如何繁殖的，问题就会变得明确而简

单了。病毒是一种完全寄生的微生物，只有在活细胞内才能繁殖，

病毒本身几乎没有代谢能力，而完全依赖其侵入的细胞提供养料

来进行自身繁殖，而且繁殖得非常快。通常只用 25分钟， 1个存

在于细胞内的病毒就可以变成 200个。要想剥夺病毒所需的养料

或阻止这一繁殖机制而不破坏细胞本身，是很困难的。

生物学家在发现一系列简单形态的生命的情况下，才于近期

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发现了病毒。此事或许应从发现疟疾的病因讲起。

非细菌性疾病

人类近年遭受疟疾危害的人数，大概要比任何其他传染病都

多。世界人口中约有

10%患过此病，曾造成每年

300万人的死

亡。1880年，它被认为是由沼泽地区的瘴气引起的，后来一位法

国细菌学家拉韦朗发现，患者的红血球细胞布满了疟原虫属的寄

生性原生动物。（由于此项发现，拉韦朗荣获了

1907年的诺贝尔

医学与生理学奖。）

1894年，一位曾在香港开办过一家教会医院的英国医生曼森

指出，沼泽地区隐匿着许多蚊子及潮湿的空气，因而提出蚊子可能

与疟疾的传播有关。一位身在印度的英国医生

R. 罗斯对此想法

从事研究，并于

1897年证明疟疾的病原虫确实有一段生活史是在

疟蚊属的蚊子体内。这种蚊子在吸患者的血液时，便将此种寄生

虫吸进来，并将它传给另一个被叮咬的人。

因为他的研究首次揭示了疾病可以通过昆虫媒介来传播，

R.

罗斯获得了

1902年的诺贝尔医学与生理学奖。这是现代医学的

一项重要发现，因为它揭示出通过杀死带菌昆虫，可以根绝疾病。

只要使滋生蚊子的沼泽干涸，减少淤积的水，并使用杀虫剂扑灭蚊

子，人们就可以预防这种疾病了。自从第二次世界大战以来，世界

上许多区域依此方法，而成为无疟疾地区，使死于疟疾的人数从最

高点至少下降了

1/3。

疟疾是最先被发现的由非细菌性微生物引起的传染病（疟疾

是由原生动物引起的）。随后不久，采用类似的方法，另一种非细

菌性疾病也被检查了出来，它就是令人谈之色变的黄热病。迟至

1898年，在里约热内卢流行这种传染病期间，有将近

95%的患者

死亡。1899年，古巴发生黄热病时，美国的一个调查委员会由细

第十四章 微生物

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菌学家里德带领，前往古巴调查发病的原因。

里德怀疑蚊子是媒介，如同疟疾传染一样。他首先证实，这种

疾病并不是因病人与医生之间的直接接触而传染，也不是因病人

的衣物或铺盖所传染。于是有一些医生故意让已叮咬过黄热病人

的蚊子叮咬，结果便得了此病，甚至有一位勇敢的调查员拉齐尔因

此而丧命。其罪魁祸首是埃及伊蚊。这种传染病被检查出来后，在

医药先进的国家里，便不再是一种严重的疾病了。黄热病的病原不

是细菌，也不是黄热病原生动物，而是一种比细菌还要小的微生物。

第三种非细菌性疾病的例子是斑疹伤寒。这种病流行于北

非，在西班牙人长期与北非摩尔人的战斗中，它便经由西班牙人传

到了欧洲，一般称之为瘟疫。它的传染性很强，甚至曾导致许多国

家的荒芜。在第一次世界大战时，当塞尔维亚军队本身无法抵挡

此种伤脑筋的疾病时，奥地利军队也被这种斑疹伤寒逐出了塞尔

维亚。在第一次世界大战期间及其以后，斑疹伤寒蹂躏了俄国与

波兰，这两个国家约有

300万人死于此病，其破坏程度同军事行动

一样惨重。

进入

20世纪后，主持巴斯德研究所的法国细菌学家尼科尔发

现斑疹伤寒虽猖獗于都市中，但是医院里的人却不会得此病。虽

然医生与护士整天和病人接触，而且医院又是那么的拥挤，然而在

那儿却没有此病的传染。于是尼科尔将病人住院后所发生的事，

详细考虑了一番，他突然想到一件非常重要的事情，那就是彻底地

洗澡，以及除去沾满虱子的衣物，尼科尔确信体虱就是斑疹伤寒的

媒介。他用实验证明了他的猜测是正确的。由于此项发现，他获

得

1928年的诺贝尔医学与生理学奖。由于他的发现及

DDT的发

明，斑疹伤寒在第二次世界大战中，没有再重演其致命的屠杀行

径。在

1944年春天，DDT被用来扑灭体虱，全体那不勒斯人都喷

洒了

DDT，将虱子全部杀死。于是有史以来的第一次，冬季传染

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的斑疹伤寒（当多数人不经常更换衣服时，生虱子是很普遍的）立

即被制止了。1945年底美国占领日本后，类似的传染病也被制止

图 14-2疟疾微生物的生活周期

第十四章 微生物

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了。第二次世界大战中，疾病死亡数比枪弹残杀的少，这种奇特的

现象在历代战争中是罕见的。

斑疹伤寒如同黄热病一样，是由一种比细菌还小的病原所引

起，我们现在将进入一个由亚细菌所构成的奇妙领域里。

亚细菌

为了对这个领域内的生物有更具体的概念，让我们以从大到

小的次序来观察它们。人类卵细胞的直径大约为

100微米（

1×

10－8米），是肉眼所能看见的最小东西。草履虫这种大型原生动

物，在亮光下可见其在水滴中移动，它的大小与卵细胞相近。一个

正常人体细胞只有卵细胞的

1/10（直径约

10微米），只有借助于

显微镜才能观察到。红血球就更小了，其最大的直径也不超过

7

微米。最早的细菌种类，大小与一般细胞一样，但现已变得十分细

微，杆状细菌的长度一般只有

2微米长，最小的细菌是球形细菌，

其直径不超过

0.4微米，普通的显微镜几乎无法观察到它们。

很明显，有机体至此已达到最小体积来容纳其独立生命所必

需的一切代谢机制。任何更小的有机体，都不能成为一自给自足

的细胞，而必须寄生。打个比方说，它们必须像舍弃多余的东西一

样，舍弃大部分的酶机制。无论人为供应的食物多么丰富也不能

使它们生长或繁殖，因此不能像细菌那样在试管中培养。它们惟

一能生存的地方就是活细胞，因为活细胞能供应它们所缺乏的酶。

这种寄生物的生长与繁殖自然会使宿主细胞惨遭牺牲。

第一种亚细胞是由一位年轻的美国病理学家立克次发现的。

他在

1909年从事研究一种名叫落基山斑疹热的疾病，此病的传播

者是蜱螨（一种吸血的节肢动物，类似蜘蛛）。在受感染的宿主细

胞内，他发现了包涵体，这是一种非常小的有机体，后来就依他的

名字而命名为立克次体。立克次以及其他人很快发现，斑疹伤寒

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也是一种立克次体疾病。在求证的过程中，立克次自己也得了伤

寒，在

1910年去世了，年仅

39岁。

立克次体可用氯霉素及四环素之类的抗菌素来消灭之。它们

的直径，约为

0.2～0.8微米。很显然，它们具有足够供自用的代

谢机制，而跟宿主细胞有所区别，所以药物对立克次体起作用，如

抗菌素治疗法就可以大幅度减低立克次体疾病的危险。

病毒在测量尺度上可算是最低的极限了，它们的大小大致与

立克次体相同；事实上，立克次体与病毒之间并无很明显的界限。

但是最小的病毒的确非常小，例如，黄热病毒直径只有

0.02微米。

由于病毒非常小，所以在细胞内察觉不到，在光学显微镜下也观察

不到。一般病毒只有一般细菌大小的

1/1 000。

实际上，病毒是没有任何代谢机制的，它几乎完全依靠宿主细

胞的酶系统。最大的病毒中，有一些可受某种抗菌素影响，但对一

般的病毒，药物也是无效的。

自从人们开始怀疑病毒的存在以来，大约已有数十年，它们终

于被发现了。巴斯德在研究狂犬病时，并没有在体内找到可以被

怀疑是引起这种疾病的有机体。巴斯德并不认为自己的病原菌学

说是错误的，他认为此种病菌只是太小而无法看见。后来证明他

是正确的。

1892年，一位俄国细菌学家伊凡诺夫斯基在研究一种使烟叶

产生斑纹的烟草花叶病时，发现将病叶的汁液涂在健康的叶子上，

会传染这种疾病。为了得到这种病菌，他将汁液通过滤孔非常细

小的瓷滤器，这种滤孔甚至连最小的细菌也无法穿透，然而滤液仍

能传染烟草花叶病。伊凡诺夫斯基认为，一定是他的滤器有缺陷

才使细菌穿透过去。

一位荷兰细菌学家贝哲林克在

1897年重复了这项实验，并得

到以下的结论：这种病的病原小得可以穿透这种滤器。由于在任

第十四章 微生物

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何显微镜下，他在清澈的感染汁液中都看不到任何东西，而且在试

管培养基中也不能培养出任何东西，因此他认为这种病原可能是

一种很小的分子，大概与糖分子差不多大小。贝哲林克称这种病

原为滤过性病毒。

在同一年里，一位德国细菌学家勒夫勒发现牛体内的口蹄疫

病原也能够穿透滤器。1901年，里德在研究黄热病的过程中，发

现那种病的感染原也是一种滤过性病毒。1914年，德国细菌学家

克鲁泽证明一般的感冒是病毒所引起的。

到

1931年，将近

40种疾病（包括麻疹、流行性腮腺炎、水痘、

流行性感冒、天花、小儿麻痹症及狂犬病）已经知道是由病毒引起

的，但是病毒的特性仍然是一个谜。那时一位英国细菌学家埃耳

福德终于开始利用滤器获得一些病毒，并且证明它们至少是某种

物质颗粒。他利用非常细的胶棉膜分级滤出愈来愈小的病毒颗

粒，并且依照他的方法从汁液中分离出这种感染病原。根据可以

过滤出某种疾病病原的滤膜的细度，他能够判断出某种病毒的大

小。他发现贝哲林克是错误的，即使是最小的病毒也比大部分的

分子大，最大的病毒大小接近立克次体。

后来的几年里，生物学家们争论病毒是活的还是死的颗粒，它

们有能力繁殖并传播疾病，证明它们是活的。但是在

1935年，美

国生物学家

W. M.斯坦利提出一项论证，似乎有力地证明病毒是

“死”的，他将严重感染烟草花叶病的叶子捣烂，并尽可能地纯化、

浓缩这种病毒，利用蛋白质分离技术来达到此目的。

W. M.斯坦

利的成功远远超过他的预料，因为他得到的病毒是晶体！他所制

备的结晶体，就如同晶体分子一样，即使这样病毒仍明显地不具活

性；但如果再将它溶解在液体中，它又会恢复以往的感染性。

由于这种病毒的结晶，

W. M.斯坦利与酶的结晶者萨姆纳分

享了

1946年的诺贝尔化学奖。

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在斯坦利成功后的

20年内，仍然只有非常简单的植物病毒

（感染植物细胞的病毒）可以被结晶出来。直到

1955年，第一种动

物病毒才被结晶出来。那一年，施沃特和

F. I.谢弗结晶出小儿麻

痹病毒。

病毒能被结晶出来的事实，对于包括斯坦利在内的许多人来

讲，似乎可以作为病毒是死蛋白质的一种证明。从来没有一个生

命体是结晶状的，生命与晶体似乎是两件相互对立的东西。生命

体是柔软、可变、能够活动的；而晶体则是僵硬、固定、极有规则的。

然而，病毒具有传染性的事实依然存在，即使结晶过的病毒，

仍然具有生长及繁殖的能力。而生长与繁殖一直被认为是生命的

本质。

1936年是一个转折点，两位英国生物化学家鲍登和皮里证明

烟草花叶病毒含有核酸！虽然含量不多，确切地说，烟草花叶病毒

含

94%的蛋白质而仅含

6%的

RNA，但已明确地说明了这种病毒

是一种核蛋白。此外，所有其他的病毒都被证明是核蛋白，它们含

有

RNA或

DNA，或二者皆有。

核蛋白与纯蛋白质的差别，正是有生命与无生命之差别。病

毒被证明含有与基因相似的要素，而基因正是生命最本质的东西。

打个比方说，较大的病毒具有自由染色体的每一种特征。有些病

毒甚至多达

75个基因，每一个基因控制病毒结构的某一方面的形

成——有的为纤维状，有的为褶状。借助核酸的突变，基因可变得

不完全而有缺陷，并且依此方法，可以确定它的功能甚至位置。一

种病毒的全部基因分析（包括结构及功能）是可以办得到的，尽管

这只是朝着细胞有机体的全部基因分析迈出的一小步，因为细胞

有机体具有更复杂的基因构造。

我们可以设想，病毒在细胞内就像一个入侵者，将控制基因赶

到一旁，随心所欲地掌管了细胞的化学性质。在这种过程中，它经

第十四章 微生物

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常会造成细胞或是整个宿主有机体的死亡。有时候，一个病毒可

用自己的基因来取代一个或一组宿主基因，引入的新特征还可以

传给子代细胞。病毒也可以从它所感染的细菌细胞内获得

DNA，

并将它传给下一个感染的细胞。这种现象称为转换，这个名词是

由莱德伯格提出的，他在

1952年发现了这种现象。

假如基因带有细胞的“生命”特性，那么病毒就是一种有生命

的东西。当然，这还得看每个人对生命的定义如何理解。我个人

认为，任何能够自我复制的核酸蛋白分子都应当被认为是有生命

的。依此定义，病毒和大象、人类一样是有生命的。

亲眼看到病毒比任何间接证明病毒存在更为可信。苏格兰医

生伊斯特是第一位亲眼看到病毒的人，他在

1887年报告说，在显

微镜下可以看到牛痘水泡的液体中有一些小点状的东西，这大概

是已知的最大病毒——牛痘病毒。

要想看到典型的病毒，需要比一般显微镜更好的仪器。在

30

年代的末期，这种更好的仪器发明出来了，这就是电子显微镜。它

的放大倍率可达

100 000倍，可以分辨出直径小至

0.001微米的

东西。

电子显微镜仍有它的弱点：被观察的物体必须放置在真空中，

并且必要的脱水过程会改变物体原有的形状；此外像细胞一类的

东西必须切得很薄，而且仅呈现二维空间的影像；更有甚者，由于

电子会穿透生物材料，因而影像无法从背景上显示出来。

1944年，美国天文学家兼物理学家

R. C. 威廉斯以及电子显

微镜学家威科夫，对这最后的困境共同研究出一套独特的解决办

法。身为天文学家的

R. C. 威廉斯突然想到，正如月球上的环形

山及山脉一样，当阳光斜射其上时，阴影使它们的轮廓显得格外分

明，假如能使病毒投射出影子的话，就可看到病毒三维空间的影像

了。这些实验者所想到的方法，是将气化金属斜着从置于显微镜

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台上的病毒颗粒中吹过去，使每一个病毒颗粒的背后留下一个明

显的影子。影子的长度代表着封阻颗粒的高度，而气化金属凝结

成薄膜，也可以在背景上明显地衬托出病毒颗粒的轮廓来。

不同病毒的影子解开了它们的形状之谜（见图

14-3）。牛痘

病毒的形状类似琵琶形，它的厚度大约为

0.25微米，跟最小的立

克次体差不多。烟草花叶病毒为扁棒状，长约

0.28微米，厚约

0.015微米。最小的病毒，例如小儿麻痹病毒、黄热病毒以及口蹄

疫病毒，是小球状，直径从

0.020～0.025微米不等，比估计的人的

单个基因的大小还要小得多。这些病毒的重量大约只有一般蛋白

质分子重量的

100倍。雀麦草病毒的分子量为

450万，大约只是

烟草花叶病毒的

1/10。

1959年，芬兰细胞学家威尔斯卡设计出一种可以利用慢速电

子的电子显微镜，因为慢速电子比快速电子的穿透力差，所以能够

呈现出病毒内部的细微构造。1961年，法国细胞学家迪普伊发明

了一种方法，将细菌置于充满空气的胶囊内，并利用此法在电子显

微镜下观察到活的细胞，但因为没有金属影子，所以无法看到其细

微构造。

一般的电子显微镜是一种透射的设备，因为电子穿透薄片，在

另一面被记录下来。我们也有可能利用低能量的电子束来扫描要

观察的物体。电子束可使物体表面的物质放射出自己的电子，再将

这些放射出的电子加以分析研究。使用这种扫描电子显微镜，许

多表面的细节都可以看到。这是由英国科学家奥特利在

1948年发

明的，并在

1958年被广泛使用。

核酸的作用

病毒学家已能将病毒分解，并将它们再度组合起来。加利福

尼亚大学一位德国血统的美国生物化学家弗伦克尔-康拉特与

R.

第十四章 微生物

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图 14-3简单物质、蛋白质、不同病毒颖粒及细菌的相对大小

（比例尺为 3.81厘米＝原体的 1/10 000毫米）

C. 威廉斯合作，发现以温和的化学处理可以将烟草花叶病毒的蛋

白质分解成 2 200多个碎片，每个碎片含有由 158个氨基酸构成

的肽链，单个分子量为 18 000。1960年终于研究出了这些病毒蛋

白单元的精确的氨基酸组成。当这些单元被分解时，它们会倾向

再度合并成中空的长棒状（与完整病毒的形状相同），借助钙及镁

原子便能结合在一起。

总之，当这些病毒蛋白单元结合时，它们会构成几何形。刚提

过的烟草花叶病毒为螺旋形，小儿麻痹病毒蛋白由 60个亚单元排

列成 12个五角形，20个大蚊科虹色病毒的亚单元排列成一个规

则的二十面体。

病毒的蛋白质是中空的，例如烟草花叶病毒的蛋白螺旋便是

由肽链绕 130转，形成一个长而直的中空腔。蛋白质的中空腔为

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病毒的核酸部分，可能是

DNA或

RNA，但无论是哪一种，大约都

含有

6 000个核苷酸。不过施皮格尔曼也曾经发现过一种能复制

的

RNA分子，小到只有

470个核苷酸。

弗伦克尔-康拉特将烟草花叶病毒的蛋白与核酸分开来，试图

了解每一部分是否能单独地感染细胞。结果，他证明它们并不能

单独感染细胞。但是当他再一次将蛋白与核酸混合后，其复活的

感染力大约是原病毒样本的

50%！

这是怎么回事呢？被分开的病毒蛋白及核酸，在各个方面都

显示出它们是无生命的，但是再度混合后，至少有一部分复活了。

当时，大家都称赞弗伦克尔

-康拉特从没有生命的物质中创造出了

一种有生命的有机体。其实这只是误解而已，稍后我们将加以解

释。

显然，蛋白质与核酸发生了某种重新组合，而且似乎在感染过

程中，两者都起着某种作用。蛋白质与核酸各自的作用是什么呢？

哪一种作用更为重要呢？

弗伦克尔-康拉特做了一项十分精巧的实验来回答这一问题。

他将一种病毒的蛋白部分与另一种病毒的核酸部分混合，二者结

合形成一种兼有两种特性的感染性病毒！在毒性方面（即对感染

烟草的毒力程度），与提供蛋白质部分的病毒菌株相同；而在引起

特殊疾病方面，则与提供核酸部分的病毒菌株相同。

此发现与早期病毒学家们对蛋白及核酸各自功能的怀疑是相

吻合的。似乎是，当一个病毒攻击一个细胞时，它的蛋白外壳，或

称外套，使它附着于细胞上，并打开进入细胞的通道，让病毒核酸

得以侵入细胞内，从事病毒颗粒的复制。

当弗伦克尔-康拉特的混种病毒感染一片烟草叶后，在叶细胞

内繁殖出的新一代病毒，被证明不是混种病毒，而是提供核酸部分

的病毒复制，这种复制遗传了该病毒的感染毒性及引起疾病的类

第十四章 微生物

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型。换言之，核酸可以指令新病毒蛋白外套的合成。它能合成属

于自己那种病毒的蛋白质，而不是属于和它混种的那种病毒的蛋

白质。

如此便确实证明了核酸是病毒的“生命”部分，也可以说，核酸

是任何核蛋白的“生命”部分。事实上，弗伦克尔

-康拉特在更进一

步的实验中发现，纯病毒核酸对烟草的感染能力很小，大约是完整

病毒能力的

0.1%。很显然，核酸有时候也会自行侵入一个细胞。

所以把病毒核酸与蛋白加在一起形成一个病毒，这并非从无

生命物质中创造出生命，而是生命原来就以核酸的形态存在了。

病毒蛋白只是保护核酸避免被环境中的水解酶（核酸酶）作用，并

促使感染与繁殖更加有效率罢了。我们可以将核酸部分比喻为一

个人，蛋白部分比喻为一部汽车，二者结合后，就可很容易地从此

处移动到他处。汽车本身是不会旅行的，人可以步行远足（有时候

如此），但汽车是一个很有用的辅助工具。

有关病毒感染细胞的机制，在对一种叫噬菌体的病毒的研究

上得到清楚而详尽的了解。英国细菌学家特沃特在

1915年发现

了噬菌体；1917年，加拿大细菌学家德爱莱尔也独立地发现了噬

菌体。说也奇怪，这些病毒竟然是捕食细菌的。德爱莱尔将之命

名为噬菌体，是希腊文“食细菌”的意思。

噬菌体是非常便于研究的东西，因为它们能在试管中与其宿

主细胞一起被培养。其感染及繁殖的过程如下：

典型噬菌体（研究者通常称为噬体）的形状，像是一只小蝌蚪，

有一个短粗的头和一条尾巴。在电子显微镜下，研究人员已能够

看到噬菌体以其尾部来抓住细菌的表面。此种现象的最佳解释

是：尾端的电荷（由带电荷的氨基酸来决定）。与细菌表面某一部

分的电荷相吸引。这两种相反而互相吸引的电荷精确地配合在一

起，就好像镶假牙一般天衣无缝。一旦此病毒以尾部附着在受害

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细胞上，就会在细胞壁上打开一个小小的开口，此过程可能是用酶

切断附着点的分子完成的。至于在电子显微镜的照片上，看不出

任何事情发生，噬菌体，至少其可见的外壳，仍然附在细菌的表面。

至于细菌内部的活动，则是无法看到的。但经过半小时后，细胞破

裂了，数以千计的成熟病毒倾巢而出。

很明显，这整个过程中只有进攻病毒的蛋白外壳留在细胞外，

在壳内的核酸则是经过由蛋白质组成的壁上的孔进到细菌体内

的。美国细菌学家赫尔希利用放射性示踪剂，查明侵入的物质只

是核酸，而不含任何可被探测到的蛋白质。他以具有放射性的磷

及硫原子来标记噬菌体（先是细菌从培养基中得到这些放射性同

位素，再使噬菌体生长在这些细菌上），磷可出现于蛋白质及核酸

中，而硫只能出现于蛋白质中，因为在核酸里并不含硫原子。要是

有这两种示踪剂标记的噬菌体侵入到细菌内，它所产生的后代具

有放射性磷，而无放射性硫，这个实验就表明，亲代病毒的核酸已

进入细胞，而其蛋白质并未进入。不含放射性硫，表示在病毒子代

中所有的蛋白质，都是由宿主细菌供给的。事实上，实验结果正是

这样：新的病毒含有放射性磷（是由亲代提供的），而不含放射性

硫。

核酸在生命过程中的重要作用再度得到证明。显然，只有噬

菌体的核酸进入细菌体内，并在里面负责利用细胞内的物质，来合

成新的病毒——蛋白质及其他一切。

人们发现，引起马铃薯梭状块茎病的实际感染源确实是一种

不寻常的小病毒。1967年，微生物学家迪纳尔认为此种病毒是一

条裸露的

RNA，他将核酸中这种具有感染性的小东西（除去蛋白

质）命名为类病毒，现在约有

6种植物疾病被认为是由类病毒感染

引起的。

类病毒的分子量约为

13万，只有烟草花叶病毒的

1/300。在

第十四章 微生物

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一条类病毒的核酸里，只有

400个核苷酸，但也足够进行复制与存

活了。类病毒可能是已知的最小生物。

这种类病毒被认为与动物的某些不太清楚的退化性疾病有

关，如果这种病是因为病毒而引起的话，则属慢性病毒造成的。慢

性病毒需要很长时期才能表现出病症来。原因可能是裸露的短股

核酸，其感染速率缓慢。

免疫反应

除人类自身外，病毒是人类最可怕的有生命的敌人。因为病

毒可与人体内的细胞紧密地结合在一起，所以不容易受到任何化

学药品及任何其他疗法的攻击。然而即使在最差的状况下，我们

仍然可以抵御入侵的病毒及病原体。人类对于疾病有很强的天然

抵抗力。

让我们以

14世纪最恐怖的瘟疫——黑死病为例，来看看人的

抵抗力到底如何。黑死病首先侵袭一群困苦无助的欧洲人。他们

住在极度肮脏、拥挤的落后地区，没有任何现代卫生的观念，也没

有输水设备，更没有任何适当的医疗条件。这些人固然可以逃离

受害地区，但是，这反而使黑死病散布得更快更远。黑死病虽然肆

虐全欧洲，但

3/4的欧洲人依然成功地抵御了黑死病的侵害。这

项历史事件最令人吃惊的不是欧洲

1/4人死了，而是

3/4的人度

过浩劫活了下来。

人对于某种疾病有天然的抵抗力，这是很明显的。例如，面临

同样严重的传染病，有些人只轻微发病，也有些人会生场大病，而

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另外有些人则会因此丧命。人类对某些疾病也可能具有完全免疫

的能力。这种能力可以是先天的，也可以是后天获得的。比方说，

一个人只要患过一次麻疹、流行性腮腺炎或水痘，就可以终身免

疫。

上述三种病症碰巧都是由病毒引起的。但它们只引起比较轻

微的病征，很少使人死亡。即使其中最厉害的麻疹，通常也只是使

小孩产生轻微的不适而已。人体是如何战胜入侵病毒的呢？战胜

后又是如何加强自身的防卫力量而使战败的病毒永不再入侵的

呢？在解决这些问题的过程中，发生了一段感人肺腑的现代医学

科学的插曲。叙述这个故事之前，我们必须先追溯人类征服天花

的历史。

天花

18世纪末叶，天花是一种令人闻风丧胆的疾病，不仅因为它

会夺取人的生命，而且因为它会在病愈者的脸上留下永不消退的

瘢痕。轻微的天花会在人的皮肤上留下一点一点的小坑，严重者

则会使人面目全非，难以见人。当时，绝大部分的人脸上都有天花

留下的瘢痕，而那些尚未染上天花的人则生活在恐惧之中。

早在

17世纪时，土耳其人就开始故意用温和型天花感染自

己，希望由此种做法而免受天花之害。他们的做法就是在自己的

皮肤上抓出伤痕来，再从感染轻微天花者身上的水泡里取出液体，

涂在伤口上。如此一来，有些人的确只感染了轻微的天花，而有些

人却面目全非，还有些人甚至死去。土耳其人这种做法显然很冒

险，但是，天花实在给人们以无限的恐惧，逼得人们只好冒险一试

以免受其害。

1718年，英国著名的美女蒙塔古女士伴随丈夫短期出使土耳

其。当她闻知土耳其人的方法后，便用此法接种自己的孩子。他

第十四章 微生物

第十四章 微生物

们果真都免于天花的伤害。不过，这种做法并未引起英国人的注

意，部分原因可能是蒙塔古女士是出了名的怪人。在大西洋的彼

岸，也发生了一个类似的例子：当天花盛行之际，美国波士顿的一

位医生博伊尔斯顿对

241人施行接种，结果仅

6人死亡。他非但

没有因此而受到赞扬，反而因为

6个人的死亡而受到颇大的责难。

在英国格洛斯特郡，某些乡下人对于如何躲避天花另有一套

办法。当地人相信：感染牛（有时也会感染人）的牛痘会使人同时

对牛痘和天花具有免疫力。如果事实真是如此，那就太好了！因

为牛痘几乎不发疤，也不会在人体上留下任何痕迹。当地一位名

为詹纳的医生认为这种乡下人的“迷信”可能有一定的道理。他注

意到：挤牛奶女工特别容易感染牛痘，很明显也特别不容易感染天

花。（或许就是这个因素，使得

18世纪的人们喜欢将浪漫色彩加

在那些漂亮的挤牛奶女工身上。洁净的面貌毕竟比满布瘢痕的脸

要好看多了。）

会不会是因为牛痘与天花很相像，所以人体具有抵抗牛痘的

能力之后就能抵抗天花呢？詹纳非常小心地对这个想法开始进行

实验。（首次实验的对象可能就是自己家里的人。）到了

1796年，

他决定做一次也许要付出最大牺牲的实验：他从一名挤牛奶女工

手上的牛痘水泡取出汁液，给一名

8岁儿童菲普斯接种了牛痘。

两个月后，再进行最重要且最冒险的部分。詹纳故意将天花接种

在菲普斯身上。菲普斯果真未患病，他对天花免疫了！

詹纳称这个方法为种痘（源自拉丁文的“牛痘”）。种痘立即如

野火般地传遍整个欧洲。在医学史上，像种痘这种医学上的革命

能够如此轻易而且几乎立即为大众所接受的例子实属罕见。这或

许是因为天花早已在人们心中蒙上浓厚的死亡阴影，而人们在长

期苦于无对策的情况下，自然就愿意去尝试任何新方法，只要这种

方法可使他们免于受害。甚至医学界对于种痘也很少反对，尽管

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少数医学权威人士竭力阻挠。詹纳早在

1813年就被提名为英国

皇家医学会会员，却未被吸收，理由是他没有完全遵守希波克拉底

及加伦（医学之祖）的医理。

时至今日，天花似乎已经销声匿迹，不再危害大众了，因为很

少有人不种痘免疫再患天花了。美国自

1949年起，全球自

1977

年起，没有发现一起天花病例。但某些实验室仍存有天花病毒的

样本供研究使用，而且，意外事故仍可能发生。

疫苗

在种牛痘成功后的一个半世纪里，人类一直在努力寻找类似

的治疗方法，以对付其他严重疾病。可惜的是，人类在这条道路上

并无任何进展，直到巴斯德在多少有点偶然的情况下，也发现将微

生物毒性减弱可以使一种原本严重的疾病变得轻微，人类才又向

前跨出一大步。

巴斯德用一种引起鸡霍乱的细菌为实验材料。他将菌液加以

浓缩，使它的毒性加剧，只需在鸡的皮下注射一点菌液，就可使鸡

在一天之内死亡。有一次，他用已经培养了一星期的培养液注入

鸡体内，出乎意料之外，鸡的病情轻微而且很快就复原了。巴斯德

以为那次的培养液已经坏了，于是他重新制备了一批剧毒培养液。

但是，这次新的培养液却未能使那些注射过“失效”培养液的鸡得

病。很明显，鸡在感染毒性减弱的细菌之后，已具有抵抗未减毒细

菌的能力。

就某方面来说，巴斯德是为鸡的“天花”制造了人工“牛痘”。

虽然这个实验与牛痘毫不相干，但巴斯德仍然称它为种痘，以表明

詹纳的理论对他的帮助。从那时候起，人们就普遍地用种痘来表

示对任何疾病的接种，而把用来接种的物质称为疫苗。

除了以上的方法之外，巴斯德还研究出其他削弱病原体毒性

第十四章 微生物

第十四章 微生物

（减毒）的方法。例如，他发现只要将培养中的炭疽杆菌加热至某

一温度就可获得低毒性的菌株，这种菌株可使动物对炭疽病具有

免疫力。在此之前，炭疽病原是一种无药可治的传染病，一群牛

中，只要有一头牛感染此病，人们就得将整群牛宰杀并烧毁。

巴斯德最闻名的成就是征服了狂犬病。狂犬病由狂犬传染，

人若是被狂犬咬了，经过两个月的潜伏期后，就会疯狂地发作，往

往是非常痛苦地死去。

巴斯德无法找到肉眼看不见的作为病原的微生物（当然，巴斯

德对病毒毫无认识）。正因为如此，他只好用活的动物来培养这种

微生物。他将感染液注入兔脑中，让病毒在那里繁殖，然后将兔子

的脊髓捣碎，再将抽出的液体注入其他兔脑中。如此反复进行，直

到抽出液的毒性弱到不使免子发病为止。随后，他再将正常的狂

犬病毒注入这些兔子体内，结果证明这些兔子已具有免疫力。

1885年，巴斯德得到一个以人体为实验对象的机会。那年，

一位

9岁小男孩迈斯特被疯狗咬得很严重，人们将他送到巴斯德

那里求救。因为事出紧急，巴斯德只好在满怀疑虑与犹豫的情况

下，将已经连续减毒的培养液接种在小男孩身上，希望在潜伏期过

去之前使小男孩具有免疫力。他成功了。起码小男孩被救活了。

（迈斯特长大后成为巴斯德研究所的看门工。1940年纳粹德军攻

入巴黎，命令迈斯特打开巴斯德研究所的地下室，他因而自杀。）

1890年，德国科赫实验室的军医贝林对于冒险将微生物（即

使已经减毒）注入人体感到不安，于是他设法寻找另一条解决问题

的途径。假设病原体会使生物的肌体合成某种有抵抗力的物质，

那么，先用病原体感染动物，再把动物产生的有抵抗力的物质提取

出来，然后把这种有抵抗力的物质再注射到病人身上，不是可以得

到用病原体直接注射的同样效果吗？

贝林发现这个理论确实行得通。血清中的确出现了有抵抗力

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的物质。贝林称之为抗毒素。他使动物产生破伤风及白喉抗毒

素，并将白喉抗毒素首先用在一个患白喉的小孩身上，效果非常

好。于是，抗毒疗法立刻被采用，使白喉的死亡率大幅度下降。

P.埃尔利希与贝林合作大概地计算出了抗毒素的适当用量。

（后来，

P.埃尔利希还发现了治疗梅毒的特效药。）由于

P，埃尔利

希生性暴躁，后来就与贝林分道扬镳了，P.埃尔利希独自继续进

行有关血清疗法基础理论的详细研究。贝林获得

1901年第一届

诺贝尔医学与生理学奖，P.埃尔利希也在

1908年与一位俄国生

物学家共获此项特殊荣誉。

抗毒素虽然免疫效果很好，但其效果无法维持长久，因为人体

血液中若没有抗毒素就会失去免疫力。后来，法国细菌学家拉蒙

发现，只要把白喉或破伤风的毒素用甲醛或加热处理，就可以使毒

素的结构发生改变，形成一种新的物质，可以很安全地注入病人体

内。这种经过处理的毒素叫做类毒素。注射类毒素后人体自身产

生的抗毒素比动物的抗毒素效果要长久，而且必要时可以再注射

而重获免疫力。因此，自从

1925年类毒素问世之后，人们就不再

恐惧白喉了。

人们还常用血清反应来鉴定疾病，其中以瓦色曼试验最为著

名，此法是由德国细菌学家瓦色曼在

1906年为了鉴定梅毒而使用

的。这种技术是比利时细菌学家博尔德首先发明的，博尔德专攻

血清中称做补体的部分，他证明补体是由一些互相联系的酶组成

的一个复杂体系。由于在此方面的卓越成就，他获得了

1919年的

诺贝尔医学与生理学奖。

巴斯德与狂犬病毒艰苦奋战的过程，表明病毒并不容易对付。

细菌可以在试管内的人造培养基中培养和控制，使其毒性降低。

可是，用相同的方法对付病毒就行不通了，因为病毒一定要在活组

织中才能生长。在治疗天花的实验中，牛痘病毒的宿主就是牛与

第十四章 微生物

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挤牛奶女工；在狂犬病实验中，狂犬病毒的宿主就是兔子。用活的

动物来培养病毒既不方便花费又大，而且耗时冗长。

1900～1925年间，法国生物学家卡雷尔成功地使组织在试管

内存活。这一成果对医学研究具有重要价值，卡雷尔因此出了名。

在他当外科医生时，就对组织培养产生了兴趣，他发明了移植动物

血管及器官的新方法，因此获得

1912年诺贝尔医学与生理学奖。

为使切除下来的器官维持生命力，必须发明供给待移植器官营养

的方法，他的方法就是用血液浸润器官并供给各种萃取物及离子。

作为附带的收获，在林德伯格的协助下，卡雷尔发明了一种粗糙的

机械心脏，用来推动血液流过培养的组织。

卡雷尔的装置可以使鸡胚的心脏活动

34年之久，远比鸡本身

的寿命长。他进一步尝试用组织培养来繁殖病毒。虽然他成功地

使病毒在培养组织上繁殖了起来，但是为了取得纯种病毒，又不得

不采取许多麻烦的灭菌措施，还不如用动物来繁殖病毒简便。

就在此时，有人发现用整个鸡胚来繁殖病毒比只用部分组织

要好，因为，第一，鸡胚本身就是一个自给自足的有机体，无需供给

养分；第二，有蛋壳防护，而且鸡胚本身对细菌有天然的抵抗力；第

三，鸡蛋既便宜又可以大量获得。

1931年范德比尔特大学的病理

学家古德帕斯丘及他的同事成功地将病毒移入鸡胚内，首次使获

取纯种病毒变得与获取纯种细菌一样简单。

1937年，利用鸡胚培养病毒的方法在医疗上取得了第一项重

大的胜利。在洛克菲勒研究院，细菌学家仍在寻找进一步防止黄

热病毒的方法。要完全消灭传播黄热病的蚊子毕竟是不可能的，

而被感染的猴子仍然是热带黄热病的病源，经常地威胁着人们。

该研究院一位来自南非的细菌学家泰累尔着手制取低毒性黄热病

毒。他使病毒连续在

200只鼠胚及

100只鸡胚中繁殖，终于找到

只会引起轻微症状而又对黄热病具有完全免疫力的突变种。由于

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此项成就，泰累尔荣获

1951年诺贝尔医学与生理学奖。

利用胚胎培养病毒的方法虽已成功，但是无论在繁殖的速度、

条件控制及效率上都比不上在玻璃器皿里培养。20世纪

40年代

末，哈佛医学院的恩德斯、韦勒以及罗宾斯改进卡雷尔的实验，获

得令人满意的结果。（卡雷尔没有看到他们的成功，因为他在

1944年就去世了。）恩德斯三人成功的原因在于有了防止细菌感

染组织培养的新的有力武器——抗菌素。他们将青霉素及链霉素

加入维持组织生存的血液中，结果细菌死亡了，病毒照常繁殖。随

后，他们就以脊髓灰质炎病毒为实验对象，结果相当令人兴奋，脊

髓灰质炎病毒在这种培养基中繁殖了起来。此项实验的成功使人

类征服了脊髓灰质炎。他们三人因此共同获得

1954年诺贝尔医

学与生理学奖。

利用性情暴躁的猴子来培养脊髓灰质炎病毒既不安全又费

钱，而现在可以在试管里培养这种病毒，因而可以用这种病毒进行

大规模的实验了。由于组织培养法研究成功，匹兹堡大学的索尔

克才得以对这种病毒进行化学处理，他发现被甲醛杀死的脊髓灰

质炎病毒仍旧可以引起人体的免疫反应。他据此发明了闻名遐迩

的索尔克疫苗。

脊髓灰质炎不仅致死率高而且病愈后常会有肢体麻痹的后遗

症，此种情形对小孩尤其严重（因此，脊髓灰质炎又名为小儿麻痹

症）。这似乎是一种近代流行病，在

1840年以前没有这种流行病

的记载。因为美国总统

F. D.罗斯福也患了这种病，所以这种病格

外引人注目，使征服脊髓灰质炎成为人类历史上战胜疾病的最光

辉的胜利之一。当

1955年审议委员会宣布索尔克疫苗确实有效

时，这个消息立刻受到如同好莱坞首场演出式的欢迎。这是医学

史上前所未有的盛况。这是理所当然的，因为索尔克疫苗的成功

比起那些可以使人为之疯狂的表演更值得庆贺与赞扬。但是科学

第十四章 微生物

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不是靠狂热的宣扬兴旺起来的。由于急于满足公众对疫苗的要

求，显然造成了少量不合要求并能致病的疫苗样本外流，因而激起

公众的强烈反对，使利用索尔克疫苗防止脊髓灰质炎的计划受挫。

虽然暂时受挫，但是后来人们发现索尔克疫苗的确有效，而且

制造得当的话，也很安全，所以计划再度顺利进行。

1957年波兰

出生的美国微生物学家萨宾做了进一步的发展。他不像索尔克用

死的病毒（病毒万一没有全部杀死仍会引起很大的危险），而用一

种活的病毒菌株。此种菌株的病毒不会致病反而会使人产生抗

体，这就是萨宾疫苗。萨宾疫苗可以直接口服，而不必采取皮下注

射的方法。萨宾疫苗最先受到苏联的欢迎，然后传到东欧各国，

1960年传入美国。从此，脊髓灰质炎给人们造成的恐惧解除了。

抗体

疫苗究竟是怎样抵抗疾病的呢？这个问题的答案可能会给我

们一把了解免疫的化学钥匙。

半个多世纪以来，生物学家早已知道抗体是人体能抵抗感染

的最主要因素。（当然，还有吞食细菌的白血球细胞，叫做吞噬细

胞。吞噬细胞是由俄国生物学家梅奇尼科夫

1883年发现的。梅

奇尼科夫继巴斯德之后任巴黎的巴斯德研究所所长，

1908年与

P.埃尔利希共获诺贝尔医学与生理学奖。不过我认为，吞噬细胞

对抵抗病毒无帮助，与免疫力的产生似乎也无关系。）病毒，实际上

几乎任何一种异物，一旦加入肌体的化学过程就称做抗原。抗体

是人体制造的一种抵抗特定抗原的物质，即抗体与抗原结合，使抗

原无法发生作用。

在化学家真正找到抗体之前，他们就确信抗体一定是蛋白质。

原因之一就是所有熟知的抗原都是蛋白质，蛋白质自然容易与蛋

白质相结合；况且，只有蛋白质的精细结构才能识别出某种特定的

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抗原并与之结合。

早在

20世纪

20年代初期，兰德施泰纳（血型的发现者）做了

一系列实验，结果证明各种抗体确实具有很强的专一性。他用以

诱发产生抗体的物质不是抗原而是一些人所熟知的简单化合物，

这些化合物都含有砷，称为对氨基苯砷酸。对氨基苯砷酸在与简

单蛋白质（如蛋清中的清蛋白）结合的化合物中扮演了抗原的角

色：当把它注入动物体内时，就会在血清中产生抗体。此外，这种

抗体对它具有专一性，因为此种动物血清只凝集对氨基苯砷酸-清

蛋白的复合物，而不与单独的清蛋白发生作用。有时候，的确可以

使抗体与没有跟清蛋白结合的对氨基苯砷酸产生反应。兰德施泰

纳还证明，对氨基苯砷酸结构上的某些微小改变都会在抗体上表

现出来。由一种对氨基苯砷酸引起的抗体对结构略有改变的另一

种对氨基苯砷酸不产生反应。

兰德施泰纳将与对氨基苯砷酸类似的化合物称为不完全抗原

（或半抗原），它们与蛋白质结合会促使动物产生抗体。生物学家

推测，天然抗原在其分子的某个特殊区域可能具有不完全抗原的

作用。根据这个理论，细菌或病毒之所以可以制成疫苗乃是因为

它们在经过处理后，结构发生了变化，足以降低其损害细胞的能

力，但不完全抗原仍然完整如初，所以依然可导致抗体生成。

20

世纪

80年代初期，由

R. A. 勒纳领导的一组科学家，模仿流行性

感冒病毒，利用一种人造蛋白质，制成了一种合成疫苗，将此种合

成疫苗注入天竺鼠体内，结果天竺鼠对这种病毒产生了免疫力。

探索天然不完全抗原的化学性质是一件有趣的事。如果它们

的性质能够确定的话，那么或许可以利用这些不完全抗原或它们

与无害蛋白质的结合物作为疫苗，来诱发某一特定抗原的抗体。

这种做法可以避免使用毒素或低毒性病原体所带有的危险性。

一种抗原究竟怎样引起一种抗体的呢？

P.埃尔利希认为，身

第十四章 微生物

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体内平时有少量的各种可能需要的抗体存在，只要入侵抗原与合

适的抗体产生反应，通过结合，抗体能够将毒素中和，使毒素不能

参与任何有害于身体的反应，身体就会供给更多的这种抗体。虽

然某些免疫学家仍笃信这一理论或其修正版，但这种说法颇令人

怀疑。因为动物似乎不可能准备好千千万万种抗体以对抗各种抗

原，包括对氨基苯砷酸之类的非天然物质在内。

另外一些人则认为，身体内存在着一般性蛋白质分子，这些蛋

白质分子可以改变形状与任何抗原结合。也就是说，抗原充当了

抗体成型的模板。1940年，泡令提出了这种理论。他认为，各种

抗体只不过是同一基本分子的各种不同形式而已，所不同的只是

折叠的方式。换句话说，抗体会随抗原而改变其形状，就像手套可

随手形改变一样。

随着蛋白质分析技术的进步，1969年，由埃德尔曼所领导的

科学家小组终于研究出由

1 000多个氨基酸组成的一种典型抗体

的结构。埃德尔曼因此获得

1972年诺贝尔医学与生理学奖。

卡普拉进一步证明，氨基酸链上确实有高变异区。很明显，氨

基酸链上比较稳定的部分起着形成一个容纳高变异区的三维结构

的作用，而高变异区可以通过链内氨基酸各种变化的结合和几何

构型的变化自行确定适合某种抗原。

通过结合，抗体能够将毒素中和，使毒素不能参与任何有害于

身体的反应，抗体也可以与病毒或细菌表面上的一些区域结合。

假如一个抗体能够同时与两个不同的点结合的话（一个点在一个

微生物的表面上，另一个点在另一个微生物的表面上），那么抗体

就可以引起凝集反应，使两个微生物粘在一起而丧失繁殖或入侵

细胞的能力。

抗体的结合会对参与结合的细胞产生标记作用，使吞噬细胞

比较容易将它吞食掉。此外，抗体的结合可能促使补体系统更活

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跃，因而使补体系统能够利用酶在入侵细胞的壁上穿孔，将入侵细

胞消灭。

就某些方面而言，抗体的专一性并不完全是优点。假如病毒

发生突变使其蛋白质结构稍有不同，那么，病毒原有的抗体往往不

能适应这种新的结构。也就是说，对某一菌株的病毒具有免疫力，

对另一菌株的病毒则未必可以免疫。常见的流行性感冒和普通感

冒的病毒特别容易发生小突变。这正是我们易于一再患感冒的一

个原因。特别是流行性感冒，有时会发生毒力很大的突变，袭击没

有防备和没有免疫力的人们，如

1918年发生的流感和

1957年的

亚洲流感，后者死亡人数较少。

身体形成抗体的效率太高还有一个令人讨厌的后果，即身体

产生抗体的倾向甚至排斥正好进入身体的无害蛋白质。于是身体

就会对这种蛋白质产生过敏，因而可以与任何后来进入身体的本

来无害的蛋白质发生剧烈反应。这种反应可以出现发痒、流泪、鼻

及喉中产生粘液、气喘等。这类反应就是过敏反应。某些植物的

花粉（可以引起枯草热）、食物、动物的皮毛等都会引起过敏反应。

急性过敏反应可以使人严重致残甚至死亡。法国生理学家里歇因

为发现过敏性休克而荣获

1913年诺贝尔医学与生理学奖。从某

种意义上说，每个人对任何其他人多少都有过敏现象。把一个人

的器官移植给另一个人是不会奏效的，因为受植者的身体将植入

的组织作为外来蛋白质对待，从而产生抗体来对抗它。人与人之

间的器官移植最好在同卵双胞胎身上进行，因为同一的遗传使他

们体内的蛋白质完全相同。他们不仅可以交换部分组织，而且能

够交换整个器官，如肾脏。

1954年

12月，波士顿某医院第一次成功地进行了同卵双胞

胎间的肾脏移植手术。受植者

1962年因冠状动脉疾病而去世，时

年

30岁。从

1954年以来，成千上万的人接受了肾脏移植，不过都

第十四章 微生物

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不是同卵双胞胎间的移植。他们中有的人活了几个月，有的人则

活了几年。

在肾脏移植成功之后，人们又试图移植其他器官，如肺和肝。

但是，最令人注目的是心脏移植。1967年

12月，南非外科医生

C. 巴纳德首次相当成功地完成了人体心脏移植手术。这位幸运

的受植者是一位退休的南非牙科医生布莱伯格，他靠别人的心脏

活了好几个月。

此后，心脏移植狂热了一阵子，但是这股热潮到

1969年就逐

渐消退下去。受植者都活不久，因为组织排斥的问题似乎无法解

决，尽管人们千方百计试图解决身体拒绝接受本体外的组织的问

题。

澳大利亚细菌学家伯内特曾经提出这样一个看法：可以让胚

胎组织对异体的组织免疫，这样独立生存的动物或许可以容忍异

体组织的移植。英国生物学家梅达沃利用鼠胚证明确实如此。他

们两人因此共同获得

1960年诺贝尔医学与生理学奖。

1962年，在英国工作的法国血统的澳大利亚免疫学家

J. F.

A. P.米勒进一步研究，发现对胚胎免疫可能使其以后能够容忍异

体组织。他发现胸腺（当时还不知道其功能）可以制造抗体。如果

在小白鼠出生时立即将胸腺切除，那么三四个月后，小白鼠会因无

力抵抗疾病而死亡。但是，假如在小白鼠出生

3周后才切除胸腺，

那么因为小白鼠体内已经形成产生抗体的细胞，所以对小白鼠并

无妨害。胸腺尚未发挥功能的胚胎可以经过处理，“学会”容忍异

体组织；可能有一天，我们可以通过胸腺提高组织的容忍能力，在

需要时，甚至可以提高成年人组织的容忍能力。

但是，即使组织排斥的问题得到解决，仍存在其他一些严重问

题。比方说，移植器官的来源问题。接受某一活器官的人终归要

从放弃这一器官的人那里取得，于是便产生了这样一个问题：可能

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的捐献者什么时候可以被认定是死了，从而可以取出他的器官呢？

在这方面最好是能制造出人工器官。因为人工器官既没有组

织排斥，也不涉及难办的道德纠纷。在

20世纪

40年代就开始使

用人工肾脏，失去天生肾功能的人只要每星期去一两次医院，洗去

血液里的废物，就可以活下去。装上人工肾脏的人，生活要受到限

制，但总比死了好。

20世纪

40年代，研究人员发现，往血液里释放少量组胺会引

起过敏反应，由此成功地找到了可以中和组胺的抗组胺药。抗组

胺药虽然可以减轻过敏症状，但不能根除过敏反应。瑞士出生的

化学家博韦

1937年在巴斯德研究所首先合成出抗组胺药。为此

及其后来在化学疗法上的成就，他获得

1957年诺贝尔医学与生理

学奖。

制药厂商注意到流鼻涕及其他过敏症状与一般感冒非常相

似，由此认定，对过敏反应有效的药，对感冒也会有效。因此，1949

年到

1950年间，抗组胺药片泛滥于整个美国。（后来，人们发现这

些药片对感冒几乎毫无用处，抗组胺药片就不再流行了。）

当人体对自身的某种蛋白质产生过敏时，变态反应是非常有

害的。在正常情况下，身体自受精卵开始，在发育的过程中会适应

自身的各种蛋白质，但是，有时候这种调节作用会丧失。原因有以

下几种可能：第一，在某些方面，身体制造的排斥异体蛋白质的抗

体与身体自身的某种抗体在结构上过于接近；第二，随着年龄的增

长，一些细胞的表面发生了足够的变化，开始把抗体细胞视为异

物；第三，一些不明病毒，在通常情况下几乎无害，但在感染时，会

在细胞表面产生微妙的变化，结果引起自身免疫病。

直到最近才知道，在人的疾病中，自身免疫病反应比我们先前

所知道的更普遍。尽管大多数自身免疫病并不常见，但类风湿性

关节炎却是相当常见的。这种病非常难治，不过在明白病因之后，

第十四章 微生物

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我们就可以找到有效治疗的方向，治愈的希望自然大为增加。

由于电泳蛋白质分离技术的发明，生物学家终于追踪出抗体

在血液中的具体位置，在血液中的

γ球蛋白里找到了抗体。

医生早就知道，有些小孩无法合成抗体，所以很容易受到感

染。1951年，华盛顿沃尔特·里德医院的医生，对一名患有严重败

血症的

8岁小男孩的血浆作电泳分析，结果令他们大吃一惊，因为

小男孩的血浆中竟然没有

γ球蛋白。人们很快就发现了其他相同

的病例。研究人员证实：这是由于先天的新陈代谢方面的缺陷剥

夺了人体制造

γ球蛋白的能力。他们称这种病为

γ球蛋白缺乏

症。这类病的患者不能对细菌产生免疫力，不过现在他们可以靠

抗菌素维持生命。令人惊奇的是，他们对病毒感染如麻疹、水痘

等，只要患过一次就会产生免疫力。显然，抗体并不是人体抵抗病

毒的惟一武器。

1957年，以艾萨克斯为首的英国细菌学家小组证实，在病毒

入侵的刺激下，细胞会释放出具有多种抗毒性能的蛋白质。它不

仅破坏参与直接感染的病毒，也攻击其他病毒。这类蛋白质被命

名为干扰素。干扰素比抗体的产生快得多，而且可以说明患

γ球

蛋白缺乏症的人具有抵抗病毒能力的原因。显然，干扰素是在病

毒中发现的那种双链病毒中的

RNA的刺激下产生的，干扰素似

乎指导着信使

RNA的合成。信使

RNA产生的抗毒蛋白抑制病

毒蛋白的产生，但不抑制其他形式的蛋白质产生。干扰素似乎与

抗菌素一样有效，而且不会引起身体的反抗，但是，干扰素具有相

当强的特异性。只有人或灵长类所产生的干扰素才会在人体内发

挥作用。

人类或近似人类的动物需要干扰素，人类细胞产生干扰素的

量又极少，这种情况使人们长期以来不能大量获得足够临床使用

的干扰素。

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但是，从

1977年开始，洛希分子生物学研究所的佩斯特卡着

手研究纯化干扰素的方法，终于获得成功，而且发现干扰素如同一

些极其相似的蛋白质一样存在着。第一个被纯化出来的干扰素是

γ-干扰素，分子量为

17 500，由

166个氨基酸构成。后来又研究出

12种干扰素的氨基酸顺序，结果发现彼此间的差异很小。

人们找到了负责形成干扰素的基因，并利用重组

DNA技术

将这种基因嵌入普通的细菌大肠埃希氏菌，这样来诱导这些细菌

的菌落制造大量的非常纯的人体干扰素，从而使这些干扰素可以

分离并结晶。得到的晶体可以用

X射线进行分析，以确定其三维

结构。

到

1981年，已有足够的干扰素供临床试用。这里没有出现任

何奇迹，但要研究出适当的方法需要时间。

新的传染还会偶尔出现。

20世纪

80年代出现了一种可怕

的疾病，叫做获得性免疫缺损综合征，简称艾滋病。患这种病的人

免疫机制损坏，因而小的感染就会致命。艾滋病主要攻击男性同

性恋者、海地人和接受输血的人。这种病散布非常快，而且往往致

命。到目前为止，艾滋病还是不治之症，但是，

1984年在法国和美

国分离出了引起艾滋病的病毒，在治疗艾滋病方面迈出了第

一步。

癌

当流行病对人类的威胁逐渐消失之际，其他类型的疾病却在

增加。在

100年前，许多人年纪轻轻就可能死于白喉、肺结核、肺

第十四章 微生物

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炎或斑疹伤寒。现在人们可以一直活到死于心脏病或癌。这就是

心脏病、癌症在西方世界被分别列为第

1号和第

2号致死疾病的

原因。事实上，癌症继瘟疫及天花之后已成为全世界的恐惧症。

癌如同夜魔一般威胁着我们每一个人，随时可以对任何人进行突

然而无情的袭击。在美国，每年有

30万人死于癌，每星期约增加

1万多新患者。自

1900年起，发病率已增加了

50%。

癌症实际上是一类多种疾病（目前已经知道的约有

200种）。

癌能够以各种方式感染人体的任何部位，但原发病症总是相同的：

被感染的组织结构受到破坏而不受抑制地增生。希波克拉底和加

伦设想，癌是通过害病静脉而蔓延滋长的，害病静脉看上去像是弯

曲而张开的螃蟹的爪子，所以将这类疾病命名为癌（拉丁文“螃

蟹”）。

瘤（源自拉丁文“生长”）与癌并不同义。瘤可以指疣、痣等称

为良性瘤的无害增生；也可以指各种癌即恶性瘤。癌症通常依害

病组织给予不同的命名。最常见的是皮肤癌和肠癌；结缔组织的

癌叫做肉瘤；以及肝癌、腺瘤、白血病（又名血癌）等等。

德国人菲尔绍是第一个用显微镜研究癌组织的人。他认为癌

症是由外界环境的刺激和震扰引起的。这是一种很自然的想法，

因为癌症通常发生在与外界环境接触最多的部位。但是，当病原

菌学说盛行后，病理学家开始寻找引起癌症的微生物。（菲尔绍坚

持反对病菌学说，顽固地坚持刺激学说。当最终证明病菌学说即

将获胜时，他放弃了病理学转而研究考古学和政治学。历史上像

菲尔绍那样对错误观念激烈地坚持到底的科学家是极少的。）

如果过去认为菲尔绍坚持错误理论的话，那么现在可以说他

从事的是一项正确的事业，越来越多的证据说明，某些环境特别容

易诱发癌。18世纪人们就发现烟囱清洁工比其他人容易得阴囊

癌。在煤焦油染料发明后，在染料工人中，皮肤癌或膀肤癌的发病

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率也比一般人高。由此看来，在烟灰及苯胺染料中必定含有可以

致癌的物质。1915年，日本两位科学家山极和市川发现，如果在

兔子的耳朵上长时期地使用煤焦油的话，煤焦油的某些成分会使

兔子长瘤。1930年，英国两位化学家用合成化学品二苯蒽（由

5

个苯环组成

1个分子的一种碳氢化合物）诱发动物发生了癌症。

二苯蒽并不存于煤焦油之内。但三年之后，有人在煤焦油中找到

了一种可以致癌的化学品苯并芘（它也含有

5个苯环，但与二苯蒽

的排列方式不相同）。

到目前为止，人类已经找出一些致癌物质，与二苯蒽及苯并芘

类似，都是由多个苯环构成的碳氢化合物；有些是与苯胺染料有关

的分子。人们之所以对在食物中使用人造色素表示关切，就是因

为从长远来看这些色素可能会致癌。

许多生物学家认为，在近两三个世纪中，人类已经把一些新的

致癌因素引进了自己生活的环境：煤的用量不断增加；油的大量燃

烧（特别是汽油发动机）；在食物中越来越多地使用合成化学品；化

妆品等等。当然，最明显的例子是吸烟，吸烟的人肺癌的发病率是

相当高的。

辐射效应

高能辐射是环境中的另一个致癌因素。自

1895年以来，人类

接触辐射的机会不断地增加。1895年

11月

5日，德国物理学家

伦琴进行了一项实验，研究由阴极射线所引起的发光现象。为了

更好地观察这一效应，他将实验室弄得很暗。他将阴极射线管装

入一个黑色硬纸板盒中，当他启动阴极射线管时，他吃了一惊，因

为他瞧见房间对过的物质发出一道闪光。闪光来自一张涂有铂氰

化钡（一种发光的化学品）的纸。是不是来自密闭盒中的辐射使纸

发的光？伦琴关掉阴极射线管，纸果然不亮了，随后又打开，纸又

第十四章 微生物

第十四章 微生物

亮了。他把纸移到另一间房子里，纸还是发亮。显然，阴极射线管

产生了某种足以穿透硬纸板和墙壁的辐射。

由于伦琴不知道它到底是哪一种辐射，于是就简称为

X射

线。其他科学家为纪念伦琴，提议将

X射线改名为伦琴射线。但

是除德国人外，人们感到德文的“伦琴射线”很难念，于是仍然继续

使用

X射线。现在，我们已经知道，构成阴极射线的高速电子撞

上金属障碍物后，速度会急剧减慢。这样损失的动能转换成的辐

射就叫做制动辐射。X射线就是这种辐射的一个例子。

X射线使物理学发生了一场革命：它引起了物理学家们的想

象，掀起了一阵实验的台风，使人们在几个月内就发现了放射性，

并揭开了原子内部结构的秘密。1901年，首次颁发诺贝尔奖时，

伦琴成为物理学奖的第一位得主。

X射线还引起了其他事情，它使人类暴露于大量的高能辐射

之下，这在过去是从未有过的。伦琴发现

X射线的消息传到美国

后的第四天，X射线就被用来确定病人腿部子弹的位置。X射线

是探查身体内部的奇妙工具，它很容易穿透主要由低原子量元素

组成的软组织，但容易被如组成骨骼的原子量较高的元素所阻挡

（骨骼主要由磷和钙组成）。所以，若在人体后面置一感光底片，则

白云状区域就是骨骼所在，相比之下，黑暗区域是软组织，因为软

组织通过的

X射线强度大。铝制子弹呈纯白色，因为它把

X射线

全部阻挡住了。

X射线对显示骨折、钙化的关节、牙洞、体内异物等是非常有

用的。但是只要我们将不溶解的重元素盐类送到软组织中，我们

也可以非常容易地确定软组织的状况。例如，吞食硫酸钡可以知

道胃及肠的状况；注入血液中的碘化物将传送到肾及输尿管，从而

知道肾及输尿管的状况，因为碘是高原子量元素，X射线透不过

去。

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甚至在伦琴发现

X射线之前，丹麦医生芬森就已经发现高能

辐射可以杀死微生物。他利用紫外线杀死引起寻常狼疮（一种皮

肤病）的细菌，因而获得

1903年诺贝尔医学与生理学奖。后来证

明

X射线比紫外线的杀伤力强得多。X射线不仅可以杀死癣菌，

也能使人体的细胞受损或死亡，而最终可以用来杀死手术刀无法

切除的癌细胞。

人们通过无情的事实还发现，高能辐射会引起癌症。早期处

理

X射线或放射性物质的人中至少有

100人死于癌，最早死亡的

例子发生在

1902年。事实上，居里夫人及其女儿

I. 约里奥-居里

都是死于白血病（血癌），因此，人们容易相信辐射是她们患血癌的

主要原因。

1928年，英国医生芬德利发现，即使是紫外线辐射，它

的量也足以引起小白鼠的皮肤癌。

人们确实有理由怀疑，人类越来越多地暴露于高能辐射之下

（通过

X光透视、核试验等方式），是癌发病率增大的原因之一。

诱发剂与致癌基因

各种致癌物质（化学品、辐射等）有何共同之处呢？一个合理

的想法是，所有的致癌物质都可以引起基因突变，而癌可能是身体

细胞突变的结果。1914年德国动物学家博韦里首先提出这种观

点。

果真如此的话，我们可以进一步设想：因为基因改变，因而不

再合成在控制细胞生长的过程中所需要的一种关键性的酶。当带

缺陷的细胞分裂时这种缺陷也会传下去。由于控制机制失灵，这

些细胞将不顾整个身体的需要，甚至不顾其所在组织的需要（如某

个器官细胞的特化作用）而无限地分裂下去。这个组织就会紊乱，

打个比方来说，就会在体内形成无政府状态。

高能辐射能够诱发突变已是确定无疑。化学致癌物质又如何

第十四章 微生物

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呢？化学品可以引起突变也已被证实，氮芥类就是一个明显的例

子。这类化合物，像第一次世界大战中使用的芥子气，能够使皮肤

产生类似

X射线照射后引起的灼伤及水泡，也能够损害皮肤细胞

的染色体而增加突变率。除芥子气外，还发现一些化合物能够造

成与高能辐射相似的结果。

可以引起基因突变的物质叫做诱发剂。诱发剂并非都会致

癌，致癌物质也不一定都是诱发剂。但是已经发现的既是致癌物

质又是诱发剂的化合物足以使人们怀疑，它们之间的关系绝不是

偶然的。

从

1960年起，科学家就开始比较瘤细胞与正常细胞，寻找

染色体中的非随意改变。当人鼠杂种细胞合成技术发明以后，

确实找到了这种改变，而且可以更准确地确定这种改变的位置。

这种杂种细胞中含人的染色体很少，假若怀疑其中有一个会引起

肿瘤的话，就可以将这个杂种细胞注入小白鼠体内看能否引起

肿瘤。

1978年，在

R. A. 温伯格领导下，麻省理工学院的一组科学家

进一步实验，将癌变归咎于这种染色体的一个单基因。他们将这

种单基因移入小白鼠体内，成功地使小白鼠长了瘤。这些基因叫

做致癌基因。

科学家发现致癌基因与正常基因非常相似，实际上，在整条基

因链上可能只有一个氨基酸不同，因此，他们提出原致癌基因的设

想。原致癌基因是细胞中存在的正常基因，随着细胞分裂一代一

代地传下去，由于某些不同的影响，随时可能发生一些小的改变，

而成为活跃的致癌基因。也许有人会问：既然原致癌基因潜在的

危害如此之大，为何细胞还要拥有它呢？直到目前为止，我们还没

有找到答案，但是我们对这个问题至少已经有了新的研究和解决

的方向，而这本身就是一件了不起的事情。

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病毒学说

在探索致癌基因的同时，微生物可能与癌有关的观念远未消

失。由于病毒的发现，使巴斯德时代的病菌学说再度复活。

1903

年，法国细菌学家博雷尔提出：癌可能是一种病毒疾病。

1908年，

两位丹麦科学家埃勒曼和班证明：家禽的白血病的确是由一种病

毒引起的。然而当时人们不知道白血病就是一种癌，所以没有注

意这项实验结果。可是

1909年，美国医生

F. P.劳斯将鸡的肿瘤

研碎过滤，再将澄清的滤液注射到其他鸡的身上，结果有些鸡长出

了肿瘤。过滤得越细，肿瘤长得越少。看来似乎可以肯定，滤液中

有某种颗粒可以诱发肿瘤，而这些颗粒的大小似乎与病毒的大小

相同。

肿瘤病毒有着一段曲折的经历。起初，被认为由病毒引起的

肿瘤后来证明都是良性的。例如，曾证明病毒可以引起像兔子乳

头瘤（类似于疣）一类的肿瘤。1936年，在缅因巴港著名的育鼠实

验室工作的比特纳发现了一件更为有趣的事情：同一实验室的斯

莱培育的小白鼠品系，有些似乎具有天生的抗癌能力，而另一些品

系似乎具有易患癌的倾向。有些品系的小白鼠很少长癌，而另一

些品系的小白鼠长大之后几乎必定得癌。比特纳试将二者新生的

幼鼠交换哺乳，发现“抗癌”品系的幼鼠接受“易患癌”品系母鼠的

哺乳后，大都患癌；与此相反，正如推测的那样，“易患癌”品系的幼

鼠接受“抗癌”品系母鼠的哺乳后却不长癌。比特纳的结论是，不

管癌发生的原因是什么，癌不是天生的，而是经由母乳传给的。他

把这种物质称为乳因子。

人们自然会怀疑比特纳所谓的乳因子就是病毒。哥伦比亚大

学的生物化学家

S. 格拉夫终于证明，乳因子是一种含有核酸的微

粒。后来又发现了造成数种小白鼠肿瘤及动物白血病的肿瘤病

第十四章 微生物

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毒，这些病毒都含有核酸。但直到目前为止，我们尚未找到任何与

人类癌症有关的病毒，对人类癌症的研究显然是非常有限的。

现在突变学说与病毒学说开始趋于一致，也许两种观念之间

的矛盾根本就不是矛盾。病毒和基因在结构上非常相似；有些病

毒侵入细胞后可以成为细胞常备设备的一部分，而且可以起致癌

基因的作用。

诚然，人的基因都含有

DNA，而肿瘤病毒似乎总是含有

RNA。长久以来人们理所当然地认为，信息总是从

DNA传给

RNA，因此很难想象肿瘤病毒怎么会起基因的作用。不过目前人

们已经知道，有时候

RNA可以促使产生带有

RNA式核苷酸的

DNA。因此，肿瘤病毒可能不是致癌基因，但可以合成致癌基因。

就此而言，病毒可能不是直接地进攻，病毒可能只是在促使原

致癌基因转变为致癌基因方面起着重要作用。直到

1966年，病毒

学说才被认为是一项值得颁发诺贝尔奖的成果。值得庆幸的是，

55年前获得这项发现的

F. P.劳斯当时还活着，并领取了

1966年

诺贝尔医学与生理学奖。（劳斯

1970年去世，享年

90岁，在快要

去世之前还积极从事研究。）

可能的治疗

新陈代谢机制究竟出了什么毛病而使细胞无限制地生长呢？

这个问题尚未得到答案。有些激素，特别是性激素是人们怀疑的

重点之一。

首先，人们知道，性激素能刺激身体的某一部分（如青春期女

子的乳房），使之快速生长；再者，性器官组织（如女性的乳房、子宫

颈、卵巢和男性的辜丸和前列腺）特别容易患癌。而最有力的是化

学上的证据，1933年，德国生物化学家维兰德（因研究胆酸而获得

1927年诺贝尔化学奖）设法将一种胆酸转变成一种叫做甲基胆蒽

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的复杂的碳氢化合物（一种很强的致癌物质）。现在已经知道甲基

胆蒽（同胆酸一样）具有类固醇的四环结构，而所有性激素恰巧都

是类固醇。畸形的性激素分子会不会起致癌物质的作用呢？或

者，打个比方说，细胞中反常的基因会不会将正常形成的激素误认

为致癌物质而刺激细胞不受制约地生长呢？人们都可以猜想，这

些猜想是很有趣的。

令人奇怪的是，改变性激素的供应有时可以阻止癌的生长。

例如，对患有前列腺癌的男子使用具有中和作用的雌性激素或切

去其生殖腺，病情就会缓和下来。作为一种治疗方法，这不值得大

惊小怪，因为这是对癌被迫采取的一种不得已的措施。

到目前为止，治疗癌的主要方法仍然是手术，而且手术的局限

性仍然同以前一样：有时癌块切下来了病人也死了，手术刀往往漏

掉癌组织的碎片（因为紊乱的癌组织具有易碎的倾向），随后这些

碎片被血液带到身体的其他部分，并在那里扎根生长。

利用高能辐射杀死癌组织的方法也有很多缺点。除传统的

X

射线和镭外，感生放射性又增添了新的武器，其中之一是钴-60，它

能产生高能

γ射线，并且比使用镭便宜得多；另一个解决办法是放

射性碘，它集中于甲状腺，因此可以治疗甲状腺癌。但是人体对辐

射的忍受是有限度的，辐射阻止的癌反而不如它引起的其他癌多，

这种危险一直存在着。

最近

10年来，各方面知识不断累积，使人们找出一些更温和、

更精密、更有效的方法的希望大为增加。

例如，假若病毒以某种方式参与癌的发生的话，那么任何可以

抑制病毒作用的物质就应该减少癌的发病率或阻止已发生的癌生

长。在这类物质中，可能性最大的是干扰素。现在纯干扰素可以

大量得到，而且已经在癌病患者身上试用。到目前为止没有明显

地成功，原因可能是这种方法正处于试验阶段；试用的病人患病已

第十四章 微生物

第十四章 微生物

久，也可能是无药可治了；当然，也可能是使用这种方法的窍门尚

未找到。

另一种方法是这样的：致癌基因与正常基因的差别如此小，人

们似乎有理由认为致癌基因时常发生，而且癌细胞的产生比人们

所想象的要平常得多。这种细胞在某些方面必定会与正常细胞不

同，大概人体免疫系统可以及早辨认出它进而将它消灭。如此说

来，癌的产生不是表示癌细胞已经形成，而是表示已形成的癌细胞

未被消灭。癌或许是免疫系统失灵造成的，这种情况在某种程度

上与自身免疫病的情形相反，自身免疫病是免疫系统工作效率太

高造成的。

癌的预防与治疗可能有赖于我们对免疫系统工作方式的了

解。或者，在做到这一点之前，我们或许可以使用能够区别正常细

胞与癌细胞的化合物来帮助人体达到抗癌的目的。

例如，有些植物会产生某些物质，这些物质会与某些糖类反

应，正如抗体与蛋白质反应一样。（至于植物产生这些可以识别糖

的物质的目的尚未查明。）

包围着细胞的细胞膜是由多种蛋白质与脂质构成的，但是这

些蛋白质往往将某些相当复杂的糖分子合并到自己的结构中去。

正因为细胞膜里糖的性质不同，所以在某些条件下可以使某些血

型的血球发生凝集现象；在另一些条件下，可以使另一些血型的血

球发生凝集现象，利用这个特性可以将血液区分为几种不同的血

型。

美国生物化学家博伊德想知道是否有能够区别血型的植物物

质。1954年，他首先以利马豆（大白豆）为实验材料，使他惊奇的

是，他在大白豆中找到了这种物质。他将这种物质命名为外源凝

集素（源自拉丁文“选择”）。

如果外源凝集素能够根据表面化学的细微差别在一种或另一

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种红血球之间进行选择的话，那么可能会发现某些外源凝集素能

够区别肿瘤细胞与其原有的正常细胞，因为这些外源凝集素凝集

肿瘤细胞而不凝集正常细胞。因此，这些外源凝集素可能会使肿

瘤细胞失去作用，从而减低或阻止癌的生长。一些初步的研究已

取得令人乐观的成果。

总之，我们对致癌基因及其产生的方式了解得越多，则学会预

防致癌基因产生或促使其消灭的方法的可能性也就越大。

可是，在此期间，对癌的恐惧以及明显的医治无望，经常使人

们想试用一些假科学的药物。将要淹死的人想捞稻草救命，这是

无可指责的，但是迄今为止，这些药物从未有过效验，而且有时还

妨碍病人寻求更有希望的疗法。

（高秀英 译）

第十五章 人 体

第十五章 人 体

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食 物

或许医学科学的第一个重大进展，就是医生们认识到健康需

要简单而平衡的饮食。希腊哲学家劝告饮食要适度，不仅出于哲

学上的理由，而且因为凡是这样做的人都生活得更舒适，寿命也更

长。这是一个良好的开端，但生物学家们终于认识到，单靠饮食适

度是不够的。即使一个人生活富裕，不会挨饿，而且能够适度节

制，不暴食暴饮，但如果碰巧在他的饮食中缺少某些必要的成分，

他仍会不健康。对于世界上一些地区的许多人来说，正是这种情

况。

人体在饮食的需要上是非常特殊的。植物只靠二氧化碳、水

和某些无机离子就可以生存。有些微生物不需要任何有机食物同

样也能存活，因此人们称它们为自养生物，就是说它们能够在没有

其他生物的环境中生长。面包霉菌（脉孢菌）就开始有点复杂了，

除了无机物质外，还必须要有糖和一种叫做生物素的维生素。而

且生命形态变得越复杂，似乎越要依赖它们的饮食为建造活组织

提供所必需的有机构件，原因就是它们失去了原始生物所具有的

一些酶。绿色植物可以提供全套的酶，把无机原料制造成全部必

需的氨基酸、蛋白质、脂肪和碳水化合物。脉孢菌拥有除制造糖和

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生物素所需要的几种酶以外的所有的酶。人体中缺少制造多种氨

基酸、维生素和各种其他必要物质所需要的酶，因此必须从食物中

摄取现成的。

这看起来似乎是一种退化——越来越依赖于环境使生物处于

一种不利的地位。其实并非如此。如果环境能够提供构件的话，

细胞何必还携带着制造这些构件所需要的复杂的酶机器呢？去掉

这种机器，细胞就可以把它的能量和空间用于更精细和更特殊的

目的。

人（或其他动物）要得到他们所需要的食物，就必须依赖摄取

其他生物。食物正是由这些生物的有机成分构成的。在食者的肠

内，食物里的小分子可以被直接吸收；淀粉、蛋白质等大分子通过

酶的作用被分解（即被消化）成碎片（氨基酸、葡萄糖等）再被吸收。

在食者的体内，这些碎片被进一步分解以产生能量，或重新合成食

者而不是食物所特有的大分子。在某种意义上，动物的生命过程

就是一种不停的强行掠取。

有些动物是食肉动物，它们只吃其他动物。如果所有的动物

都是食肉动物，动物的生命就不会维持长久，因为食物的能量和组

织成分转换给食者的效率非常低。根据实际的经验，要维持食者

1公斤的体重需要消耗

10公斤的食物。

有些动物是食草动物，它们吃草。植物比动物普遍得多，因此

食草动物的总量远远大于食肉动物，能够很好地维持食肉动物的

生存。（有些动物，如人、熊和猪等，是杂食动物，它们既吃植物也

吃动物。）

把植物的能量和组织成分转换给吃植物的动物，效率也是非

常低的，因此，如果植物自我更新的速度赶不上它们被食用的速

度，生命很快就会荡然无存。植物是利用太阳能在光合作用过程

中进行自我更新的（见第十二章）。通过这种途径，植物可以依靠

第十五章 人 体

第十五章 人 体

无机物生存，而且实际上使所有的生命维持下去。在植物存在以

来的整个时期，一直是这样进行的。

的确，光合作用比动物消化食物的过程效率还要低。据估计，

所有到达地球的太阳能被植物截获并转换成组织的不到

1/1 000，

但是这仍然足以使全世界每年生产

1 500亿～2 000亿吨干的有

机物。当然，只要太阳基本上维持目前的状况，这一过程在地球上

就只能以目前的形式持续下去，这将是几十亿年的事情。

有机食物

如果摄取食物只是为了获得能量，我们实际上并不需要很多

食物。对于我这个坐着工作的人来说，

227克黄油就可以提供我

一天所需要的全部能量。但是，食物不单是提供能量，而且还是修

补和重建我的组织所需要的构件的一个来源。这些需要修补和重

建的组织在许多不同的地方都有，单靠黄油不能提供这些方面的

需要。

英国医生蒲劳脱首先提出有机食物可以分成三类，后来被命

名为碳水化合物、脂肪和蛋白质。（就是这个蒲劳脱提出，所有的

元素都是由氢组成的，比他的时代超前了一个世纪。）

19世纪的化学家和生物学家，尤其是德国的李比希，逐渐弄

清了这些食物的营养价值。他们发现，蛋白质是最重要的，生物单

靠蛋白质就能存活。人体不能用碳水化合物和脂肪制造蛋白质，

因为这些物质不含氮，但是它能够利用蛋白质提供的原料制造必

要的碳水化合物和脂肪。但是，如果靠全蛋白食物生活的话，就会

造成浪费，因为环境中的蛋白质是比较稀少的。那样做就好像本

来有劈柴可用却要用家具生火一样。

在整个历史上，甚至今天在世界的许多地区，人们很难得到足

够的食物。不论是灾荒歉收，还是分配不当；也不论是体力上的还

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是经济上的原因，反正总是有人得不到食物或买不起食物。

有时即使看上去有足够的食物可供食用，但蛋白质的含量太

低，因此虽然不是广义上的营养不足，也是营养不良。儿童特别容

易患蛋白质缺乏症，因为他们需要蛋白质不仅是为了替换，而且是

为了建造新的组织，为了生长。在非洲，这种蛋白质缺乏症在儿童

中特别普遍，因为他们只是吃一种单调的玉米面食物。（任何单调

的食物都是危险的，因为含有人们所需要的各种养分的食物是没

有的。吃的食物种类要多，这样才安全。）

总是有少数人饮食不加节制，因此摄取的各种养分超过了身

体的需要。人体将多余的养分变成脂肪储存起来（这是把热量储

存在尽可能小的空间里的最经济的办法）。这种储存有许多用途，

例如储存的热量可以帮助度过缺乏食物的期间。但是，如果没有

这种缺乏食物的期间，脂肪就会保留下来，人体就会超重甚至肥

胖。这种情况是有害的，它会使人感到不适，而且还经常伴随着发

生机能衰退和代谢方面的疾病，如糖尿病、动脉粥样硬化等。（如

果一个人的饮食不平衡，即使体重超重，也不能保证不缺乏所必需

的营养。）避免肥胖的惟一合理的方法，就是减少饮食量或增加活

动量（或者两者同时进行）。两者都不肯做的人只能保持超重，尝

试任何其他方法都不会奏效。

蛋白质

总的来说，高蛋白食物通常比低蛋白食物价格高，而且供应短

缺（这两个特点一般同时存在），并且，动物食物通常比植物食物蛋

白质含量高。

这就给食素主义者提出一个问题。尽管食素主义者有自己的

观点，但实行食素主义的人要确保他们保持适当的蛋白质摄取量

就必须多费点事。这是可以办到的，因为一般成人每天只要摄取

第十五章 人 体

第十五章 人 体

57克蛋白质就够了，儿童、孕妇及喂奶的母亲需要的多一些。

当然，这在很大程度上要看你选取的是什么样的蛋白质。

19

世纪的实验者企图发现，在饥荒时人们是否可以靠白明胶生活。

白明胶是通过加热骨头、腱和用别的方法无法食用的动物的其他

部分而得到的一种蛋白质。但是法国生理学家马让迪证明，当白

明胶是狗的蛋白质的惟一来源时，狗就会减少体重而死亡。这并

不是说用白明胶作食物有什么不好，而只是说当白明胶是食物中

的惟一蛋白质时，它不能提供所有必需的构件。这再一次说明，食

用多种食物才安全。

蛋白质的效用取决于身体对蛋白质所提供的氮的利用效率。

1854年，英国农学家

J. B.劳斯和吉尔伯特用小扁豆粗粉和大麦

粗粉两种形式的蛋白质喂猪。他们发现，猪体内保留大麦中的氮

比小扁豆中的氮多得多。这些是最早的氮平衡实验。

生长中的动物从它摄取的食物中逐渐积累氮（正氮平衡）。如

果它在挨饿，或患了消耗性疾病，而白明胶又是惟一的蛋白质来

源，那么，从氮平衡的观点来看，身体就会继续饥饿或消耗下去（这

种情形叫做负氮平衡）。不管喂它多少白明胶，它也总是保持失去

的氮多于摄入的氮。

为什么会这样呢？19世纪的化学家们终于发现，白明胶是一

种非常简单的蛋白质。它缺少大部分蛋白质中所含有的色氨酸和

其他一些氨基酸。没有这些构件，身体就不能为其自身组织建造

所需要的蛋白质。因此，除非身体还能从食物中得到其他蛋白质，

否则白明胶里产生的氨基酸就毫无用处，因而不得不被排泄掉。

这就好像盖房子的人发现他们有很多木材却没有钉子一样。他们

不仅盖不成房子，而且这些木材也只好堆在一旁而最终被处理掉。

19世纪

90年代，人们试图往白明胶里加入它所缺少的一些氨基

酸，使它成为一种比较有效的食物，但这些尝试都没有成功。使用

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不像白明胶那样简单的蛋白质则取得比较好的结果。

1906年，英国生物化学家霍普金斯和威尔科克用在玉米中发

现的玉米醇溶蛋白作为小白鼠食物中的惟一蛋白质。他们知道这

种蛋白质含色氨酸极少。大约过了

14天，小白鼠就死了。（缺少

色氨酸是蛋白质缺乏症夸希奥科病的主要原因，这种病在非洲儿

童中非常普遍。）然后，他们在玉米醇溶蛋白中加上色氨酸，再来喂

小白鼠，这一次小白鼠存活的时间延长了一倍。这第一次确凿地

证明，食物中不可缺少的成分是氨基酸，而不是蛋白质。（虽然小

白鼠仍然死得过早，这大概主要是因为缺少当时还不知道的某些

维生素。）

在

19世纪

30年代，美国营养学家

W. C.罗斯彻底弄清了氨

基酸的问题。当时主要的维生素都已经知道了，所以他可以给动

物提供一些必需的维生素，并把注意力集中在氨基酸上。罗斯不

用蛋白质而用氨基酸的混合物喂大白鼠，结果靠这种食物大白鼠

活不了多久。但是，当他用牛奶蛋白质酪蛋白喂大白鼠时，大白鼠

活得很好。显然，酪蛋白中含有某种东西是他所使用的氨基酸混

合物中所没有的，这种东西很可能是某种未发现的氨基酸。罗斯

将酪蛋白分解，然后试着往他的氨基酸混合物里加入酪蛋白的各

种分子片段。用这种方法他找到了苏氨酸。这是人们发现的最后

一种主要氨基酸。当他把从酪蛋白中得到的苏氨酸加入他的氨基

酸混合物中，再来喂大白鼠时，尽管食物中没有任何完整的蛋白

质，大白鼠仍生长良好。

罗斯进而从大白鼠的食物里每次去掉一种氨基酸。用这种方

法他终于识别出大白鼠食物里

10种不可缺少的氨基酸：赖氨酸、

色氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸、

缬氨酸和精氨酸。只要这些氨基酸足量供给，大白鼠就能够制造

出所有它所需要的其他氨基酸，如甘氨酸、脯氨酸、天门冬氨酸、丙

第十五章 人 体

第十五章 人 体

氨酸等。

20世纪

40年代，罗斯把注意力转移到人对氨基酸的需要上。

他说服一些研究生接受经过控制的膳食，在这些膳食中氨基酸的

混合物是氮的惟一来源。到

1949年，他已经能够宣告，成年男子

的膳食中只需要

8种氨基酸：苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨

酸、缬氨酸、赖氨酸、色氨酸和苏氨酸。由于精氨酸和组氨酸对大

白鼠是必不可少的，但在人的膳食中却没有必要，所以看起来在这

一方面人不如大白鼠特化，实际上也不如已经详细实验过的任何

其他哺乳动物特化。

很可能一个人靠膳食中必需的这

8种氨基酸就可以生活；只

要这些氨基酸足量供给，他就不仅能够制造出他所需要的所有其

他氨基酸，而且能够制造出所有的碳水化合物和脂肪。实际上，仅

由氨基酸组成的食物，价格会非常昂贵，更不要说这种食物是多么

平淡无味了。但是，对我们所需要的氨基酸有一个完整的蓝图是

很有帮助的，这样，当有必要最大效率地吸收和利用氮时，我们就

能够加强天然蛋白质的供给。

脂肪

脂肪同样也可以分解成比较简单的构件，其中主要是脂肪酸。

脂肪酸可以分为饱和和不饱和两种。饱和脂肪酸分子含有所有它

们能够携带的氢原子；不饱和脂肪酸分子缺少一对或多对氢原子。

如果缺少一对以上的氢原子，则称作多不饱和脂肪酸。

含不饱和脂肪酸的脂肪通常比含饱和脂肪酸的脂肪熔点低。

在生物体内，脂肪以液态为宜；因此，植物和冷血动物的脂肪往往

比鸟和哺乳动物等温血动物的脂肪含有较多的不饱和脂肪酸。人

体不能利用饱和脂肪制造多不饱和脂肪，因此，多不饱和脂肪酸是

必需脂肪酸。在这一方面，食素主义者是有利的，他们患缺乏症的

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可能性更小。

维 生 素

不幸的是，甚至在近来一些开明的时代，对食物的狂热和迷信

仍在欺骗着许多人，并冒出了许多医治百病的畅销品。实际上，可

能正是因为这些时代开明，才使对食物的狂热时尚成为可能。在

人类历史的大部分时期，人们都是附近地区生产什么就吃什么，而

且通常并不丰富。他们必须有什么就吃什么，否则就得挨饿；谁也

不能挑剔食物，而没有挑剔就不可能有对食物的狂热时尚。

现代运输能够把食物从地球的某一地区运送到任一其他地

区，特别是采用了大规模的冷冻技术以后，更减少了饥荒的威胁。

在现代以前，饥荒总在部分地区发生，邻近地区虽然能够提供食

物，却无法运送到灾区。

人类早就学会用干燥、腌制、糖渍和发酵等方法来保存食物，

从那时起便在家中储藏各种食物。当在真空中储藏烹调好的食物

的方法发明以后，就能够把食物保存得接近原来的状态。（烹调可

以杀死微生物，而真空可以防止其他微生物生长和繁殖。）第一个

应用真空储藏法的是法国厨师阿佩尔。他发明这项技术是为了赢

得拿破仑一世为寻求一种为军队保存食物的方法而设立的奖赏。

阿佩尔使用的是玻璃罐，现今使用的是镀锡的钢罐。自从第二次

世界大战以来，冰冻的新鲜食物越来越受到人们的喜爱。家用冰

箱的数目也不断增加，使新鲜食物更加普遍，种类也更多。

第十五章 人 体

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营养缺乏病

所有这些并不是说精心选择食物不一定有用，一些特定的食

物确实能治疗特殊的疾病，的确有一些这样的事例。每种病例都

是营养缺乏病，在食物甚至蛋白质充足时发生的一些病症，这些病

是由于食物中缺少人体的化学机器所必需的一些微量物质造成

的，然而这些微量的物质在食物中是没有的。当一个人得不到正常

而平衡的膳食（含有多种食物）时，几乎必定会得这种缺乏病。

诚然，在

19世纪及以前，平衡而多样化膳食的价值就已经为

许多医生所理解。当时关于食物的化学仍然是一种奥秘。一个著

名的例子就是克里米亚战争中英勇的英国护士南丁格尔，她首先

在良好护理的同时，给伤员以适当的饮食。但是，一直等到

19世

纪末，发现食物中含有生命必不可少的微量物质以后，才有了膳食

学（对膳食的系统研究）。

古代人对坏血病非常熟悉。患这种病的人毛细血管越来越

脆，牙龈出血，牙齿松动，伤口很难愈合，病人逐渐衰弱，终致死亡。

在被围困的城市和长期航海中，这种病特别盛行。（这种病最早出

现在

1497年绕非洲到印度航行的伽马号船上；22年后第一次环

球航行的麦哲伦船队的船员们，患坏血病的人多于患一般营养不

足的人。）远航的船只，由于缺乏冷藏技术，必须携带不会腐败的食

物，也就是硬饼干和咸猪肉。尽管如此，许多世纪以来，医生们没

有把坏血病与膳食联系起来。

1536年，法国探险家卡蒂埃在加拿大过冬期间，他的随员中

有

110人患了坏血病。土著印第安人知道后，提出一种治疗办法：

饮用松针浸泡过的水。卡蒂埃的随员在绝望中采用了这种好像很

幼稚的建议，结果治好了他们的坏血病。

两个世纪以后，

1747年，苏格兰医生

J.林德注意到了一些这

样的病例，并用新鲜的水果和蔬菜试着进行治疗。用他的方法对

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患坏血病的水手进行实验，他发现，橘子和柠檬见效最快。

J. 库

克船长在

1772～1775年横渡太平洋的探险航行中，强迫他的船员

经常吃泡菜，因而使他们没有发生坏血病。可是，直到

1795年，英

国海军的高级将领们才对

J. 林德的实验（以及闹坏血病的舰队没

有什么战斗力会使海战失败的事实）有了充分的印象，因而命令英

国水手每天都要喝定量的酸橙汁。由于喝了酸橙汁，坏血病从英

国海军中消失了。

一个世纪以后，1884年，日本海军将领高木兼宽也采用了类

似的办法。他让他的船队把单调的大米饭改为多样的膳食，结果

结束了日军海军中一种叫做脚气病的灾祸性疾病。

尽管有这种偶尔用饮食治疗成功的事例（当时谁也讲不出道

理），但是

19世纪的生物学家不肯相信饮食能够治病，特别是在巴

斯德关于疾病的细菌学说盛行起来以后。可是，

1896年，一位叫

艾克曼的荷兰医生几乎是违背自己意愿地说服了他们。

艾克曼被派到当时荷属的东印度去研究脚气病，在那些地区

脚气病是一种流行病（即使在今天，尽管医学已经知道了脚气病的

原因和治疗方法，每年仍有

100 000人死于这种病）。高木兼宽用

膳食的方法制止了脚气病，但是西方人显然没有重视，他们可能认

为这只是东方神秘的经验知识。

艾克曼假定脚气病是一种由细菌引起的疾病，他用鸡作为实

验动物来确定这种细菌。一件非常幸运的欺骗行为打破了他的计

划。在没有预兆的情况下，他喂的鸡大部分都得了一种麻痹症，有

一些因而死亡；但是大约

4个月以后，存活下来的鸡又恢复了健

康。艾克曼因为没有找到引起这场病害的细菌而感到迷惑，最后

他调查了鸡的饲料。他发现，原来负责喂鸡的那个人为了节省（无

疑从中得利），用剩余的饭菜当饲料，这些大部分都是军事医院病

房扔掉的白米饭。碰巧，几个月后，一个新厨师到任，接替了喂鸡

第十五章 人 体

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的工作；他没有那种小偷行为，而用正常的鸡饲料（带壳的稻谷）喂

鸡，所以后来鸡又复原了。

艾克曼对此进行实验。他用白米喂鸡，鸡病了；他又用稻谷喂

鸡，鸡恢复过来了。这是第一次故意造成的营养缺乏病。艾克曼

断定，鸡的这种多神经炎和人的脚气病的症状相似，难道人得脚气

病是因为只吃白米的缘故吗？

稻谷去壳主要是为了更好地保存，以便人们食用，因为壳上含

有油，很容易腐败，同时去壳时把稻谷上的细菌也就一起去掉了。

艾克曼和他的同事格里津斯着手研究究竟是稻壳里的什么物质防

止了脚气病。他们用水成功地从稻壳中溶解出这种关键性的因

子，并发现这种物质可以通过蛋白质不能通过的膜，显然这种物质

一定是一种非常小的分子。可是，当时他们却鉴定不出究竟是一

种什么物质。

与此同时，其他研究者也发现了一些似乎是生命所必不可少

的神秘因子。1905年，荷兰营养学家帕克尔哈林发现，他用人造

食物喂养的小白鼠在一个月内全部死去，就脂肪、碳水化合物和蛋

白质来说，人造食物的含量好像是足够的。但是，当他往这种食物

里加入几滴牛奶以后，小白鼠活得很好。而在英国，正在证明膳食

中氨基酸的重要性的生物化学家霍普金斯，进行了一系列的实验。

他也证明，如果把牛奶加入人造食物中去，牛奶酪蛋白中的某种物

质可以维持动物的生长。这种物质溶于水。作为膳食的辅助物，

少量的酵母提取物比酪蛋白效果更好。

由于他们的开创性的工作，确定了膳食中的微量物质，这些物

质是生命所必不可少的，艾克曼和霍普金斯分享了

1929年的诺贝

尔医学与生理学奖。

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分离维生素

下一个任务就是分离食物中这些重要的微量因子。到

1912

年，三位日本生物化学家铃木、岛村和大岳已经从稻壳中提取了一

种化合物。这种化合物治疗脚气病非常有效，

5～10毫克的剂量

就足以治好鸡的病。同一年，波兰出生的生物化学家冯克（当时在

英国工作，后来到了美国）从酵母中制备了同样的化合物。

因为这种化合物被证明是一种胺（即含有胺基

NH2），所以冯

克称之为维生素（由拉丁语“生命”和“胺”二字组成，过去音译为

“维他命”，现统一译为“维生素”）。冯克猜想，脚气病、坏血病、糙

皮病和佝偻病都是由缺乏“维生素”引起的。就他把这些病确认为

是营养缺乏症来说，冯克的猜想是正确的。但是，后来证明，并非

所有的“维生素”都是胺。

1913年，两位美国生物化学家麦科勒姆和

M. 戴维斯在奶油

和蛋黄中发现了另一种对健康非常重要的微量因子，这种因子溶

于脂肪性物质而不溶于水。麦科勒姆把这种因子称之为脂溶性物

A，而把抗脚气病的因子称之为水溶性物

B。在不了解有关这些物

质性质的化学组成的情况下，这种做法好像还是很不错的，而由此

便开始了用字母命名维生素的习惯。1920年，英国生物化学家德

拉蒙德将这两个名字分别改为维生素

A和维生素

B。他还提出，

抗坏血病因子是第三种这类物质，他命名为维生素

C。

维生素

A很快就被证认为是防止干眼病（眼球周围的膜不正

常的干燥）所需要的一种食物因子。

1920年，麦科勒姆和他的同

事们发现，鳕鱼肝油中有一种物质可以专门用来治疗佝偻病（治疗

干眼病和佝偻病都有效）。他们断定，抗佝偻病因子一定是第四种

维生素，他们命名为维生素

D。维生素

D和维生素

A是脂溶性

的，维生素

C和维生素

B是水溶性的。

到

1930年，人们已经弄清楚，维生素

B并不是一种简单的物

第十五章 人 体

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质，而是具有不同性质的化合物的混合物。治疗脚气病的食物因

子被命名为维生素

B1，第二个因子被命名为维生素

B2，如此等等。

有些新因子的报告后来证明是假的，所以后来人们就听不到

B3、

B4和

B5了，但是数字一直用到了

B14。这一整组维生素（全部是水

溶性的）常被称作维生素

B复合物（或复合维生素

B）。

新的字母也增加了，其中，维生素

E和

K（两者都是脂溶性

的）是真正的维生素；但维生素

F被证明不是维生素；而维生素

H

被证明是维生素

B复合物的一种成分。

现今，由于已经鉴别出了它们的化学组成，即使真正的维生素

也正在抛弃它们的字母名称，大多数都用它们的化学名称。但是，

由于某种理由，脂溶性维生素比水溶性维生素更顽强地保持着它

们的字母名称。

化学组成和结构

要弄清维生素的组成和结构不是一件容易的事情，因为这些

物质仅以微量出现。例如，

1吨稻壳中只含有大约

5克维生素

B1。

直到

1926年，人们才提取了足量的比较纯的维生素供化学分析。

两位荷兰生物化学家

B. C. P. 詹森和多纳思从微量的样品中研究

出了维生素

B的组成，但是后来证明是错误的。

1932年，日本化

学家大岳用稍微多一点的样品再次进行尝试，得到了近乎正确的

结果。他最先在一个维生素分子中发现了一个硫原子。

最后，1934年，贝尔电话实验室的化学部主任

R. R. 威廉斯

终于达到

20年研究的顶点。他不畏艰苦，从成吨的稻壳中分离维

生素

B1，直到得到足够的量，从而研究出了一个完整的结构式。

这个结构式如下：

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CH2 CH2 OH

CH3

CH3

N NH2

C

S

CC

C

N(+)

NC

CH

CH CH2

因为这个分子中最没有预料到的特征就是那个硫原子，所以

这种维生素被命名为硫胺素。

维生素

C是另一种不同的问题。柑橘类水果是比较丰富的

维生素

C来源，但是人们很难找到一种实验动物本身不制造维生

素

C。除人类和其他灵长类动物外，大多数哺乳动物都保留了形

成这种维生素的能力。没有一种能够形成坏血病的便宜而初级的

实验动物，要在橘汁化学分解的各种片段中找到维生素

C的踪迹

是困难的。

1918年，美国生物化学家

B. 科恩和门德尔发现豚鼠不能形

成维生素

C，从而解决了这个问题。事实上，豚鼠比人更容易患坏

血病。但是还有另一个困难，人们发现维生素

C非常不稳定（它

是最不稳定的一种维生素），因此，在分离它的化学过程中很容易

失去。许多研究人员热心地寻找这种维生素，都未成功。

维生素

C最后被一个并非特意寻找它的人意外地分离出来

了。1928年，匈牙利出生的生物化学家森特

-哲尔吉从洋白菜中

分离出一种物质，能够帮助把氢原子从一种化合物传递给另一种

化合物。森特

-哲尔吉当时在伦敦霍普金斯实验室工作，主要想弄

清楚组织是怎样利用氧的。此后不久，当时正在寻找维生素

C的

匹兹堡大学的

C. G. 金和他的同事们，从洋白菜中制备了一些这

种物质，发现这种物质能够有效地防止坏血病。此外，他们还发

现，这种物质与他们从柠檬汁中得到的晶体相同。

1933年，C. G.

第十五章 人 体

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金确定了这种物质的结构，原来是一种有

6个碳的糖分子，属于

L

系而不是

D系：

O

OC

CH CH CH2OH

CC

OH

OH OH

它被命名为抗坏血酸（源自希腊语，意思是“没有坏血病”）。

至于维生素

A，人们观察到富含维生素

A的食物通常呈黄色

或橙色（奶油、蛋黄、胡萝卜、鱼肝油等），从而得到关于它的结构的

第一个提示。人们发现，一种叫胡萝卜素的碳氢化合物是形成这

种颜色的主要物质。1929年，英国生物化学家

T.穆尔证明，用含

有胡萝卜素的食物喂养的大白鼠，肝内存有维生素

A。维生素

A

本身并不是黄色，所以推断胡萝卜素本身不是维生素

A，而是肝脏

把它转变成维生素

A。（胡萝卜素现在被当作维生素原的一个例

子。）

1937年，美国化学家

H. N. 霍姆斯和科比特从鱼肝油中分离

出了维生素

A的结晶。结果证明维生素

A是一种二十碳化合物，

即胡萝卜素分子的一半再加上一个羧基：

CH3 CH3

CH3 CH3

C

CH2 C CHCHC CHCHCHCCHCH2OH

CH2 C CH3

CH2

正在寻找维生素

D的化学家们，通过日光找到了最好的化学

线索。早在

1921年，最先证明维生素

D存在的麦科勒姆小组就

指出，吃缺乏维生素

D食物的大白鼠，如果暴露在阳光下，也不得

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佝偻病。生物化学家们猜想，日光的能量把体内的某种维生素原

转变成了维生素

D。由于维生素

D是脂溶性的，所以他们在食物

的脂肪物质中去寻找这种维生素原。

把脂肪分解成若干组分，再把每一个组分分别暴露于阳光下，

用这种方法他们确定出，由阳光转变成维生素

D的维生素原是

一种类固醇（甾类化合物）。是什么类固醇？他们检验了胆固醇

（体内最常见的一种类固醇），但不是它。后来，

1926年，英国生物

化学家罗森海姆和韦伯斯特发现，阳光可以把一种与胆固醇密切

相关的固醇转变成维生素

D。这种固醇就是麦角固醇（因为它最

早是从被麦角菌感染的黑麦中分离出来的，所以这样命名）。德国

化学家温道斯大约在同一时间也独立地得到这一发现。由于这项

工作及对类固醇的其他研究工作，温道斯获得

1928年的诺贝尔化

学奖。

用麦角固醇制造维生素

D的困难在于，动物体内不产生麦角

固醇。最后，人体内的这种维生素原被确定为

7－脱氢胆固醇，和

胆固醇的区别在于，它的分子中少两个氢原子。由它形成的维生

素

D的结构式是这样的：

CH3 CH3

CH CH2 CH2 CH2 CH CH3

CH3

CH

CH2

CH2

CH2 C

CH2 CH2 CH2 CH CH2

CH2 C

C

CH C

CH

HO CH2 CH

第十五章 人 体

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维生素

D中有一种叫做钙化醇（源自拉丁语，意思是“携带

钙”），因为它是骨骼正常生长所不可缺少的。

并不是所有的维生素缺少时都会产生急性病。1922年，加利

福尼亚大学的埃文斯和

K. J.斯科特含蓄地指出，有一种维生素

是动物不育的一个原因。直到

1936年，埃文斯和他的小组才成功

地分离出这种维生素，即维生素

E，后来被命名为生育酚（源自希

腊语，意思是“生孩子”）。

不幸的是，人类是否需要维生素

E？需要的量是多少？这些

问题目前还不清楚。显然有意地通过饮食造成不育的实验是不能

用在人身上的。即使在动物方面，不喂它们维生素

E可以使它们

不育，这并不一定意味着天生的不育症都是由这种方式引起的。

20世纪

30年代，丹麦生物化学家达姆用鸡进行实验，发现一

种维生素与血液的凝集有关，他把这种维生素命名为凝血维生素，

这个名称最后被缩写成维生素

K。后来圣路易大学的多伊西和他

的同事们分离出了维生素

K并确定了它的结构。达姆和多伊西

分享了

1943年的诺贝尔医学与生理学奖。

维生素

K不是一种主要维生素，也不构成营养上的问题。在

正常的情况下，肠内细菌制造的维生素

K就足以够用。事实上，

它们制造的维生素

K很多，以至于粪便中的维生素

K可能比食物

中的还要丰富。新生婴儿由于缺乏维生素

K，特别容易发生血液

不易凝集从而出血的危险。在卫生设备现代化的医院，可以使新

生婴儿在三天内积聚相当的肠菌供应，并且通过直接给婴儿注射

维生素

K，或者注射到要临盆的母亲身上，来保护婴儿。以前，婴

儿一生下来几乎立即得到细菌，虽然他们可能死于各种感染和疾

病，但他们至少没有出血的危险。

事实上，人们可能想知道，在完全没有肠菌的情况下，生物能

否生存，或者这种共生现象是否达到了密不可分的程度。不管怎

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样，没有肠菌的动物从出生就一直在无菌的条件下生长，而且能够

在这种条件下繁殖。小白鼠以这种方式可以繁殖

12代。从

1928

年以来，圣母大学一直在进行这类实验。

20世纪

30年代末和

40年代初，在这一期间内生物学家们鉴

别出了另外几种

B族维生素，现分别被命名为生物素、泛酸、吡哆

醇、叶酸和氰钴胺素。这些维生素全部由肠内细菌制造；而且，它

们在食物中普遍存在，不会出现缺乏病。事实上，研究人员为了观

察缺乏病的症状，不得不用有意排除这些维生素的人造食物来喂

实验动物，甚至还要加入抗维生素以中和肠内细菌制造的维生素。

（抗维生素在结构上与维生素相类似，通过竞争性抑制使酶失去活

性，不能再利用维生素。）

维生素疗法

在各种维生素中，每一种维生素的结构一经确定，通常紧跟着

很快就合成出这种维生素，有时在结构确定以前就合成出来了。

例如，1937年

R. R. 威廉斯和他的小组合成了硫胺素，3年以后他

们才推断出这种维生素的结构。波兰出生的瑞士生物化学家赖希

施泰因和他的小组

1933年合成了抗坏血酸，比

C. G. 金完全确定

其结构略早一点。还有另一个例子，

1936年两个不同的化学家小

组合成了维生素

A，也比完全确定其结构略早一点。

合成维生素的应用使人们能够在食物中增加维生素的含量

（早在

1924年，牛奶就成了第一种增加维生素的食物），同时能够

以合理的价格制备维生素混合剂，在药店出售。对维生素药丸的

需求因人而异。在所有的维生素中，最容易缺乏供应的是维生素

D。在北方气候中生活的儿童，冬天里阳光微弱，容易患佝偻病，

因此可能需要食用辐射处理过的食物和补充维生素。但是，维生

素

D和维生素

A的剂量应当谨慎控制，因为过量使用这些维生素

第十五章 人 体

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是有害的。

至于

B族维生素，一个人只要食用一般的粗粮，就不需要再

服用这类维生素药丸。维生素

C也是如此，在任何情况下都不会

成为问题，因为在认识到这些维生素的时代，很少有人不喜欢喝橘

子汁，也很少有人不经常喝橘子汁。

总的来说，维生素药丸的大批应用，主要是增加药店的利润，

通常对人是无害的，而美国这一代人比以前几代人身高和体重都

有所增加，这可能也是部分原因。

在

20世纪

70年代，有人提出了大剂量维生素疗法的设想。

有人提出，足以防止缺乏病的极少量维生素，不一定能够满足体内

最佳功能的需要，也不一定能够足以防止一些其他疾病的发生。

例如，有人认为，大剂量地使用某些

B族维生素可以改善精神分

裂症。

大剂量维生素疗法的最重要的代表者是泡令。1970年，他认

为，每日大剂量服用维生素

C可以预防感冒，而且对健康还有其

他一些好处。虽然他没有使医药界普遍地信服，但是大众总是强

调维生素的积极作用（特别是由于这些维生素药丸随时可以买到

又很便宜），他们急于服用，把药店里的维生素

C抢购一空。

服用过多的水溶性维生素，如维生素

B复合物和维生素

C，不

会造成正向性的伤害。因为体内不储存这些维生素，它们很容易

被排泄掉。因此，体内实际上并不需要大剂量，过多地服用只能增

加尿中的维生素含量。

脂溶性维生素完全是另外一种情况，特别是维生素

A和

D。

这些维生素可以溶解在身体的脂肪里并储存在那里，而后像脂肪

本身一样不易活动。因此，供应量太大会使身体超载而打乱身体

的功能，引起所谓的维生素过多症。由于维生素

A储存在肝脏

里，特别是鱼和食鱼动物的肝脏里（整个年青一代就曾因经常服用

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鱼肝油而过着一种可怕的生活），所以一直流传着关于北极探险者

的恐怖传说，据说这些探险者食用了北极熊肝而患了重病甚至死

亡——维生素

A中毒。

维生素为酶

生物化学家们自然很想弄清楚，体内如此微量的维生素是怎

样对人体化学产生这样重要的影响的。明显的猜测是，维生素与

酶有某种关系，因为体内酶的含量也很少。

这个答案最后从对酶化学的详细研究中得到了。研究蛋白质

的化学家早已知道，某些蛋白质并不只是由氨基酸组成的，还可能

有非氨基酸的辅基存在，如在血红蛋白中就存在着血红素（见第十

一章）。一般来说，这些辅基倾向于紧密地连接在分子的剩余部分

上。但是，对于酶来说，在某些情况下，非氨基酸部分连接得很松，

可以毫不费力地移去。

这是哈登在

1904年首先发现的（他很快又发现了含磷中间

物；见第十二章）。哈登是用一种能够使糖发酵的酵母提取物进行

研究的。他把这种提取物放在一个用半透膜制成的袋子里，再把

袋子放进淡水里，结果发现，小的分子能够穿过半透膜，而大的蛋

白质分子穿不过去。在这种透析进行了一段时间以后，哈登发现，

提取物的活性消失了，无论是袋子里面的液体还是袋子外面的液

体，都不能使糖发酵。如果把两种液体混合在一起，又恢复了活性。

显然，这种酶不仅是由一个大的蛋白质分子而且还有一个辅

酶分子组成的，辅酶分子小得可以穿过半透膜的孔。辅酶是酶的

活性所必不可少的（打个比方说，它就是刀子的刃）。

化学家们立即着手研究确定这种辅酶（以及其他酶的类似附

属物）的结构问题。德国血统的瑞典化学家奥伊勒

-克尔平在这方

面首先取得了真正的进展，结果，他和哈登分享了

1929年的诺贝

第十五章 人 体

第十五章 人 体

尔化学奖。

哈登所研究的酵母酶的辅酶，经证明是由一个腺嘌呤分子、两

个核糖分子、两个磷酸基和一个烟酰胺分子的结合物组成的。在

活组织中发现这最后一种物质是一件不寻常的事情，所以人们的

兴趣自然而然地集中到烟酰胺上。［之所以叫做烟酰胺，是因为它

含有一个酰胺基（

CONH2），而且很容易由烟酸形成。烟酸在结构

上与烟碱（尼古丁）有关，但它们的性质上完全不同，例如，烟酸是

生命所必须的，而烟碱却是一种剧毒品。］烟酸胺和烟酸的结构式

如下：

CHO CHO

HCCC HCCC

OH

NH2

HCCH HCCH

NN

烟酸烟酰胺

哈登的辅酶结构式一研究出来，便立即重新命名为二磷酸吡

啶核苷酸（DPN），也称做辅酶Ⅰ。

很快又发现了一种类似的辅酶，和

DPN的不同之处仅在于它

含有三个磷酸基而不是两个，自然，这种辅酶被命名为三磷酸吡啶

核苷酸（TPN），也称做辅酶Ⅱ。DPN和

TPN被证明是体内许多

酶的辅酶，这两种辅酶都起着把氢原子从一个分子传递到另一个

分子的作用。（这种酶叫做脱氢酶。）正是辅酶做着传递氢的实际

工作，而酶本身每次只是恰当地选择要作用的特定底物。酶和辅

酶各有重要的功能，如果两者有一个供应不足，通过传递氢而从食

物中释放能量的过程就会减慢以至中断。

在所有这一切当中，立即引起人们注意的是，烟酰胺基是人体

本身不能制造的酶的惟一部分。除烟酰胺外，人体能够制造它所

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需要的所有蛋白质以及

DPN和

TPN的所有成分，就是说，人体必

须在食物中寻找现成的烟酰胺（或者至少是以烟酸的形式）。否

则，DPN和

TPN的制造就会停止，而且它们所控制的所有递氢反

应都要放慢。

烟酰胺或烟酸是维生素吗？碰巧，冯克（创造“维生素”一词的

那个人）从稻壳中分离出了烟酸。烟酸不是治疗脚气的那种物质，

所以他忽视了它。但是，烟酸在和辅酶连接后就表现出其作用强

度，威斯康星大学的生物化学家埃尔维耶姆和他的同事们便在另

一种缺乏病上试用它。

在

20世纪

20年代，美国医生戈德堡研究了糙皮病。这是地

中海地区的一种流行病，本世纪初在美国南部几乎也流行起来。

糙皮病最明显的症状是皮肤干燥呈鳞状、腹泻和舌头红肿，有时还

会导致精神错乱。戈德堡注意到，以有限种类的膳食为生（例如主

食玉米粉）的人和只有一头乳牛的贫困家庭里的人经常受到这种

病的侵害，于是他开始用人造食物进行实验。他把人造食物给动

物和监狱里的囚犯（那里糙皮病好像很猖撅）食用。他成功地使狗

产生了黑舌病（一种与糙皮病类似的病），然后又用一种酵母提取

物治好了这种病。他发现，在囚犯的食物里加些牛奶就可以治好

他们的糙皮病。他断定，这一定与某种维生素有关。他把这种维

生素命名为抗糙皮病因子（维生素

PP）。

当时，埃尔维耶姆也是选择了糙皮病来进行烟酸的试验。他

用微小剂量的烟酸喂患有黑舌病的狗，狗的病有了明显的好转，喂

过几次以后病就治好了。烟酸确实是一种维生素，它就是抗糙皮

病因子。

美国医学协会担心公众会误认为烟草中含有维生素，要求不

要把这种维生素叫做烟酸，并建议命名为尼克酸或抗糙皮病维生

素。

第十五章 人 体

第十五章 人 体

人们逐渐地了解到，各种维生素只是辅酶的一部分，每种维生

素都是由动物或人体自身所不能制造的一种分子基团组成的。

1932年，瓦尔堡曾发现一种黄色的辅酶，可以催化递氢反应。此

后不久，奥地利化学家

R. 库恩和他的同事们便分离出了维生

素

B2，经证明是黄色的，并弄清了它的结构式：

CH2 OH

HO CH

HO CH

HO CH

CH2

CH3CHN N O

CCCC

C C C NH

CH3CH N C

O

连接在中间环上的碳链像是一个叫做核糖醇的分子，所以维

生素

B2被命名为核黄素。由核黄素光谱的测定表明，核黄素的颜

色和瓦尔堡的黄色辅酶非常相似，所以

R. 库恩在

1935年试验了

这种酶的核黄素活性，发现确实具有这种活性。同一年，瑞典生物

化学家泰奥雷尔研究出了瓦尔堡的黄色辅酶的结构，证明它是核

黄素加一个磷酸基。（1954年，第二个比较复杂的辅酶也被证明

其分子的一部分是核黄素。）

R. 库恩获得

1938年的诺贝尔化学奖，泰奥雷尔获得

1955年

的诺贝尔医学与物理学奖。但遗憾的是，

R.库恩是在奥地利被纳

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粹德国侵占后不久被选中获这个奖的，因而被迫拒绝受奖（和多马

克一样）。

核黄素是由瑞士化学家卡勒独自合成的。由于这项成果和对

维生素研究的其他成果，卡勒分享了

1937年的诺贝尔化学奖。

（和他分享这个奖的是英国化学家霍沃思，他研究的是碳水化合物

分子的环结构。）

1937年，德国生物化学家勒曼和舒斯特发现了一种重要的辅

酶，其分子结构有一部分是硫胺素。20世纪

40年代发现了

B族

维生素和辅酶的一些其他联系。吡哆醇、泛酸、叶酸、生物素——

相继发现每一种都被连接在酶的一个或几个基上。

维生素很好地表明了人体化学机器的经济性。人体细胞可以

免除制造它们，因为它们只具有一种特殊功能，而且细胞可以从食

物中得到必要的供应，没有大的风险。有许多其他重要物质，身体

只需微量但必须自己制造，例如，

ATP（腺苷三磷酸）是由和构成必

不可少的核酸基本相同的构件形成的。任何生物如果失去合成核

酸所必需的任何酶，很难想象能存活下去，因为生物需要大量的核

酸，不能指望食物供应它所需要的构件，而且，能制造核酸自然意

味着能合成

ATP。因此，目前已知的生物没有不能制造自身的

ATP的，大概今后也不会发现这种生物。

制造像维生素这样特殊的产品，就好像在装配线旁边设立一

台特殊的机器，来制造汽车用的螺母和螺栓。从零件供应商那里

获得这些螺母和螺栓效率会更高，对于汽车装配线的设备不会造

成任何损失。同样，生物可以从它的食物中获得维生素，以节省空

间和原料。

维生素还说明了生命的另一个重要事实。据目前所知，所有

的活细胞都需要

B族维生素，不论是植物、动物还是细菌，辅酶是

每一个活细胞的细胞机器不可缺少的一部分。不管细胞是从食物

第十五章 人 体

第十五章 人 体

中得到还是自己制造

B族维生素，如果它要生存和生长的话，就

必须有这些维生素。这种对一组特殊物质的普遍需要，是一件给

人以深刻印象的证据，证明所有的生命在本质上是一致的，而且很

可能都是由在原始海洋中形成的单个原始生命变来的。

维生素

A

虽然现在对

B族维生素的作用已经知道得很详细，但证明其

他维生素的化学功能却是棘手的问题。惟一得到了真正进展的是

维生素

A。

1925年，美国生理学家弗里德里夏和霍尔姆发现，用缺乏维

生素

A的食物喂的大白鼠，在暗光下活动有困难。对它们的视网

膜的分析表明，它们缺乏一种叫做视紫红质的物质。

眼睛的视网膜上有两种细胞——杆状细胞和锥状细胞。杆状

细胞专司暗光下的视觉，它们含有视紫红质。因此，缺乏视紫红质

只妨碍暗光下的视觉，从而造成所谓的夜盲症。

1938年，哈佛大学的生物学家沃尔德开始研究暗光下视觉的

化学。他证明，光可以使视紫红质分离成两个组成部分：叫做视蛋

白的蛋白质部分和叫做视黄醛的非蛋白质部分。视黄醛被证明在

结构上和维生素

A非常相似。

在黑暗中，视黄醛总是与视蛋白重新结合，形成视紫红质。但

是，当它在光下和视蛋白分离的时候，因为它不稳定，会有一小部

分被分解掉。然而，视黄醛的供应可以从维生素

A中得到补充，

维生素

A能够在酶的帮助下移去两个氢原子转变成视黄醛，因此

维生素

A成了视黄醛的一个稳定的来源。如果膳食中缺乏维生

素

A，最后视黄醛的供给和视紫红质的量就会下降，结果造成夜盲

症。由于在这一领域中的成就，沃尔德分享了

1967年的诺贝尔医

学与生理学奖。

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维生素 A一定还有其他的功能，因为缺乏维生素 A会引起黏

膜干燥以及其他不属于眼睛视网膜的疾病。但是对维生素 A的

其他功能目前人们还不明了。

对于维生素 C、D、E和 K的化学功能人们同样也还不了解。

无 机 盐

人们自然会猜想，能够构成像活组织那样奇妙东西的物质，其

本身一定是异乎寻常的。蛋白质和核酸确实是非常奇妙的，但是

人们坦率地认识到，构成人体的元素像泥土一样平常，而这些元素

仅用几个美元就可以买到。（以前用几十美分就可以买到，但通货

膨胀使东西都涨价了。）

19世纪初期，当化学家们开始分析有机化合物时，就清楚地

了解到，活组织主要是由碳、氢、氧和氮组成的。仅这 4种元素就

占人体重量的 96%，其次体内还有少量的硫。如果把这 5种元素

烧掉，就会剩下一些白灰，大部分都是骨骼的残留物。这些灰就是

一些无机盐。

在这些灰中可以找到普通的食盐（氯化钠），这并不令人惊奇。

说到底，食盐不只是一种调味品，而是一种生死攸关的物质。你只

要尝一尝血液就会认识到，食盐是人体的一种基本成分。食草动

物大概因为只食缺乏盐分的草和叶，所以必须经常冒险到盐渍地

去舔盐，以弥补食物中缺少的盐分。

早在 18世纪中叶，瑞典化学家甘思就已经证明，骨骼主要是

由磷酸钙组成的；意大利科学家门基尼已经证实，血液中含有铁。

1847年，李比希在组织中发现了钾和镁。到 19世纪中叶，已经知

第十五章 人 体

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道人体内的无机盐成分包括钙、磷、钠、钾、氯和铁。此外，这些成

分在生命过程中的活性和组成有机化合物的各种元素是一样的。

铁就是一个最清楚的例子。如果饮食中缺少铁，血液中就会

缺乏血红蛋白，从肺部给细胞输送的氧就会减少。这种情况叫做

缺铁性贫血。这种病人因缺少红色素而显得苍白，因缺少氧而感

到疲倦无力。

1882年，英国医生林格发现，在含有钠、钾和钙等基本上按青

蛙血液所含的比例配制的溶液中，青蛙的心脏在它的体外仍能存

活和跳动（这种溶液今天仍叫做林格溶液）。每一种成分都是肌肉

的功能所必不可少的。过量的钙会造成肌肉永久性的收缩（钙僵

直），过量的钾会使肌肉陷入永久性的松弛（钾抑制）。另外，钙对

血液凝集也是十分重要的，没有钙，血液就不能凝集，在这一方面

任何其他元素都不能代替钙。

在所有的无机物中，磷是最后一种被发现的，它在生命

的化学机制中执行的功能最多而且最重要（见第十三章）。

钙是骨骼的一个主要成分，占人体的

2%；磷占

1%。上面提

到的其他无机盐是按递减的比例排列的，一直到铁，铁仅占人体的

0.004%。（即使这样，一般成年男子的组织中仍含有

3克铁。）但

是，这个清单并没有完结，还有其他一些无机盐，虽然在组织里的

量勉强可以测得到，但是对生命来说是必不可少的。

一种元素可能仅在体内存在，并不一定有用，它可能只是一种

杂质。我们都会从食物中摄取我们环境中的每一种元素，至少是

微量的，每一种都会有一小部分进入我们的组织。但是，像钛和镍

等元素对身体毫无用处，相反，锌却是必需的。人们怎样区别必需

的无机盐和非必要的杂质呢？

最好的方法是证明某种必需的酶把这种微量元素作为一种必

要的成分。（为什么要用酶来证明呢？因为微量元素只有通过酶

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才能发挥重要作用。）1939年，英国的基林和曼证明，锌是碳酸酐

酶的重要成分。现在已经知道，碳酸酐酶是身体处理二氧化碳所

必不可少的，而对这种重要废物的适当处理又是生命所必需的。

人们从理论上推导出，锌对于生命是必不可少的，而实验证明确实

如此。用低锌的食物喂大白鼠，大白鼠就会停止生长，身上的毛脱

落，皮呈鳞状，最后过早死亡，缺乏锌确实如同缺乏一种维生素。

用同样的方法已经证实，铜、锰、钴和钼也是动物生命所不可

缺少的，食物中缺乏这些元素就会引起营养缺乏病。钼是一种叫

做黄嘌呤氧化酶的成分之一。20世纪

40年代，人们首先注意到

钼和一些植物有重要联系，当时的土壤科学家发现，如果土壤中缺

乏钼，植物就不能很好地生长。看来钼是土壤微生物中某些酶的

一种成分，这些微生物可以催化空气中的氮转变成含氮的化合物。

植物依赖微生物的这种帮助，因为植物本身不能从空气中摄取氮。

（地球上的各种生物都紧密地相互依赖，这只是无数个例子中的一

个。生物界就像一条漫长而复杂的链锁，任何环节被破坏，都可能

遭受困难甚至灾难。）

并非所有的微量元素都是普遍必需的。微量的硼对于植物似

乎是必不可少的，但对于动物显然并不需要。某些被囊动物可以

从海水中获得钒，并在它们的运送氧的化合物中使用它，但是几乎

没有其他动物以任何理由需要钒。有些元素，如硒和铬，人们怀疑

是身体所必不可少的，但它们的确切作用尚未确定。

现在已经知道，正如有无水的沙漠一样，也有微量元素的沙

漠；两者通常在一起，但并不总是在一起。在澳大利亚的土壤中，

科学家们发现，以某种适当的化合物形式把

1克的钼撒在

2000平

方米的缺钼的土地上，结果土壤的肥力大为增加。

1960年对美国

农田的调查表明，有

41个州的土地缺硼，29个州的土地缺锌，还

有

21个州的土地缺钼。微量元素的用量是十分重要的。过多或

第十五章 人 体

第十五章 人 体

过少都不好，因为有些元素（如铜）在少量时是生命所必需的，量大

了就会有毒。

这自然使我们想到相当古老的施肥习惯的合理性。直到近

代，施肥用的还是动物粪便、绿肥和鸟粪等，这样可以恢复土壤中

氮和磷的含量。这样施肥常常伴随着恶臭和传染疾病的可能性。

19世纪初期，由李比希研究出的干净而无臭味的化肥取代了粪

肥。

钴

在无机盐缺乏病中，关于钴的发现是最引人注目的篇章之一。

它关系到一种曾经无药可医的致命疾病恶性贫血。

20世纪

20年代初期，罗彻斯特大学病理学家

G. H.惠普尔

进行了利用各种食物补充血红蛋白的实验。他先给一些狗放血，

造成贫血，然后再给它们喂各种不同的食物，看哪一种食物能够使

这些狗最快地补充上失去的血红蛋白。他这样做并不是因为他对

恶性贫血或任何种类的贫血感兴趣，而是因为他要研究胆色素，胆

色素是身体利用血红蛋白制造的化合物。

G. H.惠普尔发现，肝

脏是能够使狗最快地制造血红蛋白的食物。

1926年，两位波士顿医生迈诺特和墨菲研究了

G. H.惠普尔

的结果，决定用肝对恶性贫血病人进行试验治疗。这种治疗果然

奏效。只要病人把肝作为食物的重要部分，这种不治之症就能治

好。G. H.惠普尔、迈诺特和墨菲分享了

1934年的诺贝尔医学与

生理学奖。

遗憾的是，虽然肝经过适当的烹调，加上鸡蛋、洋葱和鸡油，是

一道美味的菜肴，但经常食用会使人感到腻烦。生物化学家们开

始寻找肝中能够治病的物质；到

1930年，哈佛医学院的

E. J.科恩

和他的同事们制备了一种浓缩物，效力是肝本身的

100倍。但是

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要分离出活性因子，还需要进一步纯化。幸而，20世纪

40年代，

默克实验室的化学家们发现，从肝中得到的浓缩物可以加速某些

细菌的生长。这就提供了一种检验任何一种肝制剂效力的简便方

法，于是生物化学家们可以进而把浓缩物分解成碎片，并连续对它

们进行快速检验。因为这些细菌对肝物质的反应方式和它们对硫

胺素（维生素

B1）或核黄素（维生素

B2）的反应方式基本相同，所以

研究人员现在强烈地猜测他们寻找的这种因子是一种

B族维生

素。他们称之为维生素

B12。

到

1948年，利用细菌的反应和色谱法，英国的

E. J.史密斯和

默克实验室的

K. A. 福克斯成功地分离出了维生素

B12的纯样品。

维生素

B12被证明是一种红色物质，两位科学家都认为它的颜色和

某些钴化合物的颜色相似。当时人们已经知道，缺乏钴会使牛羊

严重贫血。

E. J. 史密斯和

K. A. 福克斯都曾把维生素

B12的样品

烧掉，分析剩下的灰，发现确实含有钴。这种化合物现在被命名为

氰钴胺素。到目前为止，这是在活组织中发现的惟一的含钴化合

物。

将维生素

B12断裂并检验其片段，化学家们很快就断定，维

生素

B12是一种极其复杂的化合物，他们研究出的经验式是

C63H88O14N14PCo。后来英国化学家

D. C. 霍奇金利用

X射线确定

了它的完整结构。维生素

B12晶体的衍射图使她建立了分子的电

子密度图，即哪些区域发现电子的可能性大，哪些区域可能性小。

如果把同等可能性的区域用线条连接起来，就会构成整个分子形

状的骨架图。

这件事并不像听起来那么容易。复杂的有机分子能够产生一

种极其复杂的

X射线散射。把这种散射翻译成电子密度所需要

的数学运算是极端冗长的。

1944年，计算机帮助搞清了青霉素的

结构式。维生素

B12比青霉素复杂得多，D. C. 霍奇金不得不使用

第十五章 人 体

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更先进的电子计算机（

SWAC），并做了一些艰苦的准备工作。不

过，这项工作最终为她赢得了

1964年的诺贝尔化学奖。

维生素

B12（氰钴胺素）分子原来是一种倾侧的卟啉环，一侧缺

少一个连接两个较小的吡咯环的碳桥，在另一侧吡咯环上有复杂

的侧链。维生素

B12分子和较为简单的血红素分子相似，但有这样

一个关键的差别，血红素在卟啉环的中心有一个铁原子的地方，氰

钴胺素有一个钴原子。

只要把极少量氰钴胺素注入恶性贫血病人的血液里就会产生

活性。人体对这种物质的需要量只是其他

B族维生素的

1/1 000。

因此，任何食物都应该含有我们所需要的足够的氰钴胺素。即使

食物中的含量不够，肠内的细菌也能制造出一些来。那么，为什么

还会有人患恶性贫血呢？

显然，患这种病的人只是因为不能通过肠壁给身体吸收足够

的维生素

B12。实际上他们的粪便中含有丰富的维生素

B12（因为

缺乏这种维生素他们就会死亡）。通过食用可以提供特别丰富的

维生素

B12的肝，这类病人可以勉强吸收足够的氰钴胺素而存活下

去。但是病人通过膳食对这种维生素的需要量是直接往血液里注

射需要量的

100倍。

患这种病的人一定是肠器官出了毛病，使维生素

B12不能通过

肠壁。由于美国医生卡斯尔的研究，人们从

1929年以来就已经知

道，答案不管怎样是在胃液上。卡斯尔把胃液中这种必需的成分

叫做内在因子。而在

1954年，研究人员从动物的胃黏膜中发现了

一种帮助吸收维生素

B12的产物，并证明这种产物就是卡斯尔的内

在因子。很明显，恶性贫血病人没有这种物质。当把少量的这种

物质与氰钴胺素混合后，病人可以毫不费力地通过肠来吸收维生

素

B12。内在因子已被证明是一种糖蛋白，上面结合着一个氰钴胺

素分子，并把这个分子传递给肠细胞。

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碘

现在再回到微量元素上来。第一个被发现的不是金属而是

碘，一种具有类似于氯的性质的元素。这个故事要从甲状腺说起。

1896年，一位德国生物化学家鲍曼发现，甲状腺的显著特点

是含有碘，而所有其他组织几乎都没有碘。1905年，一位名叫马

林的医生，刚刚在克利夫兰开业，惊奇地发现甲状腺肿在那个地区

非常普遍。甲状腺肿是一种惹人注目的疾病，有时造成甲状腺奇

异地肿大，使患者变得迟钝、倦怠、神经质、过度敏感甚至突眼。瑞

士医生科赫尔发展了切除不正常甲状腺的外科技术，结果减轻了

甲状腺肿的症状，为此他获得了

1909年的诺贝尔医学与生理学

奖。

但是马林想，甲状腺肿大会不会是由于缺乏碘造成的，因为碘

是甲状腺专有的一种元素。他还想，利用化学药物治疗甲状腺肿

是否会比开刀更安全和方便。他认为，克利夫兰地区的碘缺乏病

和甲状腺肿可能与缺碘有密切关系。因为克利夫兰地区是内陆，

不像在靠近海洋的土壤中或海味中那样有丰富的碘，而在海边，海

味是人们的一种主要食物。

马林在动物身上进行试验，10年以后，他感到有了充分的把

握，可以试着给甲状腺肿患者食用含碘的化合物。他可能并不太

惊奇地发现，这样治疗是有效的。马林于是建议，在土壤中缺乏碘

的内陆城市，把含碘的化合物加入食盐和供水中。然而，这个建议

遭到了强烈的反对，又过了

10年人们才普遍接受了把水碘化和食

用碘化盐的做法。碘的补充已成为常规，单纯性甲状腺肿对人类

的危害减小了。

第十五章 人 体

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氟化物

半个世纪以后，美国的研究人员（以及公众）对类似的健康问

题进行了研究和讨论，这就是把水氟化防止龋齿的问题。这个问

题是非科学界和政治界激烈争议的一个问题，他们的反对比反对

碘的情况更为坚决。大概一个原因是，牙齿上的洞似乎不像甲状

腺肿那样严重地损害人的容貌。

在本世纪初的几十年中，牙科医生们注意到，美国一些地区

（如阿肯色州的一些地方）的人牙齿常常变黑——珐琅质上出现斑

点。最后找到的原因是，在这些地区的天然饮水中氟化物的含量

比一般为高。随着研究人员把注意力转向水中的氟化物，又有了

另一个有趣的发现，有些地区水中氟化物的含量比一般水高，可是

人们的龋齿发生率却异乎寻常的低。例如，伊利诺斯州的盖尔斯

伯格城，水里含有氟化物，而在其附近的昆西城，水中几乎不含氟

化物，但盖尔斯伯格城小孩牙齿龋洞的平均数目只有昆西城的

1/

3。龋齿可不是闹着玩的事，凡是得过牙痛的人都会同意这个说

法。美国人一年治牙的费用就超过

15亿美元；而且到

35岁的时

候，2/3的美国人至少失掉一些牙齿。牙科研究者成功地得到进

行大规模研究的支持。他们发现，只要在饮水中加入

1/1 000 000的

氟化物，估计每人每年平均花

5～10美分，就可以使牙齿不出现斑

点，而且还会显示出预防龋齿的效果。因此他们采用

1/1 000 000作

为检验社会供水的氟化效果的标准。

效果主要产生在牙齿正在形成的那些人身上，也就是儿童身

上。饮水中氟化物的存在可以确保微量的氟化物吸收到牙齿结构

中去；很明显，正是这种氟化物使牙齿的无机盐不适合于细菌。

（以药丸或牙膏的形式使用少量的氟化物也可以显示出一些预防

龋齿的效果。）

在经过二十多年研究的基础上，牙科学界现在已经确信，美国

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人每年只要花几分钱，龋齿就可以减少大约 2/3，每年至少可以节

省 10亿美元的牙科费用，而且还可以减轻痛苦和牙科疾患，这些

是不能用金钱来计算的。

反对把水氟化的人大体上使用了两条主要的理由：第一，氟化

物是有毒的，所以绝对不能用这种物质来氟化水！第二，氟化水是

一种强迫的药物处理，侵犯了个人自由。情况可能如此，但是人们

怀疑，任何社会的个人是否应该有使别人不能预防疾病的自由。

如果强迫的药物处理是一种过错，那么我们对今天大部分文明国

家里的一些强迫的药物处理，不仅对氟化而且对氯化、碘化，以及

就这一点而言，对所有形式的接种，包括预防天花的接种，都会提

出异议。

激 素

酶、维生素、微量元素——这些稀少的物质多么有效地决定着

生物的生与死！但是，还有第四组物质，在某种程度上它们的效力

更大。它们指导着生物的整个行为，就像唤醒一个城市活动的总

开关或控制一台机器的节流阀。

本世纪初，两位英国物理学家贝利斯和斯塔林对消化道内的

一种引人注目的细微表现发生了兴趣，胃后面的叫做胰腺的腺体，

就在食物要离开胃进入小肠的时候，能够给小肠的上部释放消化

液。胰腺是怎样得到这个信息的呢？是什么告诉胰腺分泌消化液

的适当时刻到了呢？明显的猜测是，这种信息一定是经由神经系

统传递的，因为神经系统是当时惟一知道的体内通信的方式。人

们推测，食物从胃进入小肠，刺激了神经末梢，神经通过脑或脊髓

第十五章 人 体

第十五章 人 体

把信息转达给胰腺。

为了验证这种学说，贝利斯和斯塔林切断胰腺的各条神经。

他们的实验失败了。胰腺仍能正好在适当的时刻分泌出消化液。

迷惑的实验者们继续寻找一种可以替代的信号系统。

1902

年，他们找到了一种化学信使。这是由小肠壁分泌出来的一种物

质。当他们把这种物质注入到动物的血液中时，即使在动物不吃

东西的情况下，也能刺激胰液的分泌。贝利斯和斯塔林的结论是，

在正常的情况下，进入小肠的食物刺激粘膜分泌出这种物质，然后

经由血液流到胰腺，并触发胰腺开始分泌胰液。这两位研究者把

小肠分泌的这种物质命名为肠促胰液肽，并称之为激素（源自希腊

语，原意是“激发活动”）。现在已经知道，肠促胰液肽是一种小的

蛋白质分子。

早在几年前，生理学家们就发现，如果将肾上腺（正好在肾上

方的两个小器官）的一种提取物注入体内会使血压升高。

1901

年，在美国工作的日本化学家高峰让吉分离出了这种物质，并命名

为肾上腺素。它的结构被证明与酪氨酸相似，在体内它是由酪氨

酸衍生出来的。

显而易见，肾上腺素也是一种激素。随着岁月的推移，生理学

家们发现，体内的一些其他腺体也分泌激素。（“腺”字源自希腊语

的“橡子”，最初用于体内组织的任何小块，但逐渐习惯于命名任何

分泌液体的组织，甚至大到像肝脏和乳房那样大的器官。不分泌

液体的小器官逐渐失去了这个名称，因此，将淋巴腺重新命名为淋

巴结。尽管如此，当咽喉和腋下的淋巴结在感染期间肿大时，医生

和母亲们仍称之为“腺肿大”。）

许多腺体，如消化道的那些腺体、汗腺和唾液腺等，是通过导

管排出它们的液体的。然而，有一些腺体是无管道腺体，它们直接

把液体释放到血液里，然后使这些分泌物在体内循环。正是这些

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无管道（或内分泌）腺体的分泌物含有激素（见图 15-1），因此对

激素的研究被称为内分泌学。

图 15-1内分泌腺

当然，生物学家们最感兴趣的是控制哺乳动物身体（特别是人

体）功能的激素。但是，我想至少应该提一下，除此而外，还有控制

和加速植物生长的植物激素和控制色素沉着及蜕皮的昆虫激素等

等。

当生物化学家们发现碘集中在甲状腺里时，他们就合理地猜

测，这种元素是一种激素的一部分。1915年，明尼苏达州梅奥基

第十五章 人 体

第十五章 人 体

金会的肯德尔，从甲状腺中分离出一种含碘的氨基酸，作用像一种

激素，他把这种物质命名为甲状腺素。每一个甲状腺素分子含有

4个碘原子。同肾上腺素一样，甲状腺素和酪氨酸非常相似，在体

内也是用酪氨酸制造出来的。（许多年以后的

1952年，生物化学

家皮特-里弗斯和她的同事们分离出另一种甲状腺激素——三碘

甲状腺素，之所以这样命名是因为它的分子含有

3个碘原子，而不

是

4个。它不如甲状腺素稳定，但活性却是甲状腺素的

3～5倍。）

甲状腺激素控制着体内代谢的总速率，它们激发所有的细胞

进行活动。甲状腺功能低下的人会变得行动迟缓，反应迟钝，过一

段时间以后还可能变得精神滞呆，因为各种细胞都在低速活动；相

反，甲状腺机能亢进的人会变得神经过敏，极度紧张不安，因为他

们的细胞都在快速活动。不论机能低下还是机能亢进，都会产生

甲状腺肿。

甲状腺控制着身体的基础代谢。基础代谢就是在舒适的环境

条件下处于完全休息状态时身体耗氧的速率——打个比方来说，

就是“悠闲的速率”。如果一个人的基础代谢高于或低于这个标

准，就会怀疑甲状腺出了毛病。有一个时期测量基础代谢相当繁

琐，因为被测量者先要禁食一段时间，再静卧半小时，才能测量速

率，且不说在此之前还要有更长一段时间的准备工作。为什么不

用直接的方法来取代这些麻烦的过程呢？就是说，为什么不可以

直接测量甲状腺产生的控制速率的激素的量呢？近些年来，研究

人员已经研究出一种测量血液中蛋白结合碘（PBI）的量的方法，

这个方法可以显示出甲状腺激素的产生率，因而提供了一种简单

而快速的检验血液的方法，取代了原来的基础代谢测定法。

胰岛素和糖尿病

最著名的激素是胰岛素，它是结构完全弄清楚了的第一种蛋

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白质（见第十二章）。胰岛素的发现是一系列事件的顶峰。

多尿病是一组疾病的总称，共同的病征是异常的口渴，同时又

引起异常的多尿。这是一种最常见的先天性代谢失调。在美国有

150万多尿病患者，其中

80%年龄在

45岁以上。这种病是女性比

男性易患的几种病中的一种：女性患者与男性患者的人数比是

4：3。

多尿病这个名称源自希腊语，意思是“虹吸管”（显然，造字者

把这种病形象地描述成水不断地被从体内吸出来）。糖尿病是其

中最严重的一种，“糖尿”来自希腊语“蜂蜜”，它表明了下列事实：

在这种病的一定发展阶段尿具有甜味。（这可能是由某个有作为

的医生直接测定出来的，但是第一个测定指标可能是相当间接的：

糖尿往往会招致许多苍蝇。）1815年，法国化学家谢夫勒尔能够证

明，这种甜味是由于尿中存在着单糖葡萄糖。这种对葡萄糖的大

量浪费清楚地表明，身体不能有效地利用食物。事实上，糖尿病患

者虽然胃口增加，但随着病情的发展，体重可能会日益减轻。直到

大约

30年以前，对这种病没有任何有效的治疗方法。

19世纪，德国生理学家梅灵和

O. 明科夫斯基发现，把狗的

胰腺切除后会产生和糖尿病相似的症状。在贝利斯和斯塔林发现

了激素分泌物以后，人们才开始认为，胰脏的一种激素可能和糖尿

病有关。但是当时惟一知道的胰腺的分泌物是消化液。那么，这

种激素是从哪里来的呢？一个重要的线索被发现了：当把胰腺的

导管结扎起来，使它产生的消化液不能排出时，胰腺的主要部分萎

缩了，但是被称为朗格尔汉斯小岛的细胞群依然保持完整（这些细

胞群是德国医生朗格尔汉斯

1869年发现的，因此以他的名字

命名）。

因此，1916年，苏格兰医生沙比

-谢弗提出，朗格尔汉斯小岛

一定能够产生抗糖尿病的激素。他把这种尚未被证实的激素命名

第十五章 人 体

第十五章 人 体

为胰岛素（源自拉丁语“岛”）。

从胰腺中提取这种激素的最初的一些尝试完全失败了。现在

我们知道，胰岛素是一种蛋白质，胰腺的蛋白质分解酶甚至在化学

家们试图分离胰岛素的时候就会把胰岛素破坏掉了。1921年，加

拿大医生班廷和生理学家贝斯特试用了一种新的方法（是在多伦

多

J. J. R.麦克劳德的实验室里进行的）。首先他们把胰腺的导管

结扎起来。这样一来，胰腺中产生酶的部分萎缩，停止产生蛋白质

分解酶，他们就能够从胰岛中提取完整的激素了。这样提取的激

素经证明确实可以有效地对抗糖尿病。据估计，在此以后的

50年

中，它拯救了大约

2 000万～3 000万糖尿病患者的生命。

1923年，班廷和

J. J. R. 麦克劳德获得诺贝尔医学与生理学

奖。

体内胰岛素的功效最清楚地显示在与血液中葡萄糖浓度水平

的关系上。在通常情况下，身体把大部分葡萄糖以糖原的形式储

存在肝中（糖原是法国生理学家贝尔纳

1856年发现的），仅有少量

的葡萄糖保存在血液中，以满足细胞直接的能量需要。如果血液

中葡萄糖的浓度上升得过高，就会刺激胰腺增加对胰岛素的分泌，

胰岛素流入血液中，使葡萄糖水平降低；反之，当葡萄糖水平下降

得过低时，这种降低的浓度会抑制胰腺对胰岛素的分泌，于是葡萄

糖水平就会上升。这样就达到一种平衡。胰岛素的产生使葡萄糖

水平下降，葡萄糖水平的降低则减少胰岛素的产生，胰岛素的减少

又使葡萄糖水平升高，葡萄糖水平升高又增加胰岛素的产生，胰岛

素的增加再使葡萄糖水平降低，如此循环不已。这就是一个被称

做反馈的例子。控制房间供暖的恒温器以同样的方式工作着。

反馈可能是身体用以保持恒定内环境的通常装置。另一个例

子就是由甲状旁腺产生的激素。甲状旁腺是埋藏在甲状腺里的

4

个小腺体。美国生物化学家克雷格和拉斯马森经过

5年的研究，

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终于于

1960年提纯出甲状旁腺素。

甲状旁腺素分子比胰岛素分子大一点，是由

83个氨基酸组成

的，分子量为

9 500。甲状旁腺素的作用是增加小肠对钙的吸收和

减少钙从肾脏中流失。每当血液中钙的浓度下降得略低于正常标

准时，就会刺激甲状旁腺素产生分泌。由于钙吸收的多排出的少，

血液中钙的水平很快就会上升；这种上升反过来又抑制甲状旁腺

素的分泌。血液中钙的浓度和甲状旁腺素的分泌量之间的相互作

用，使钙的水平总是保持在接近需要的水平上。（这也是一件好

事，因为钙的浓度即使稍微偏离适当的水平也能导致死亡。因此，

切除甲状旁腺是致命的。曾经有一个时期，急于切去部分甲状腺

以减轻甲状腺肿患者痛苦的医生们，认为去掉这些小得多而且很

不显眼的甲状旁腺也无关紧要。病人的死亡给了他们很好的教

训。）

有时，两种作用相反的激素同时存在会使反馈的作用更加精

密。例如，

1961年，英国哥伦比亚大学的柯普证明存在着一种他

称之为降钙素的甲状腺激素，它可以促使钙离子沉积到骨骼里，从

而起到降低血液中钙的水平的作用。甲状旁腺素朝一个方向作

用，降钙素朝另一个方向作用，在这种情况下，由血液中钙的水平

所产生的反馈就能够得到更加精密的控制。（降钙素分子是由单

个多肽链组成的，含有

32个氨基酸。）

血糖浓度的情况也是如此。血糖浓度中不仅有胰岛素，而且

还有胰岛分泌的第二种激素进行合作。胰岛是由两种不同的细胞

组成的：α细胞和

β细胞。β细胞制造胰岛素，而

α细胞产生胰高

血糖素。人们最早推测胰高血糖素的存在是在

1923年，但直到

1955年这种激素才被结晶出来。它的分子是由含有

29个氨基酸

的单链组成的，到

1958年全部搞清了它的结构。

胰高血糖素和胰岛素的作用相反，所以两种激素的作用相互

第十五章 人 体

第十五章 人 体

抗衡，而在血液葡萄糖浓度的刺激下，这种平衡会稍有偏移。脑下

垂体（下面我就要讲到）的分泌物也有抵消胰岛素活性的作用。由

于对这种作用的发现，阿根廷生理学家奥赛分享了

1947年的诺贝

尔医学与生理学奖。

现在问题清楚了，糖尿病的问题在于，胰岛失去了产生足够的

胰岛素的能力。因此，血液中的葡萄糖浓度逐渐上升，当血糖水平

上升到大约超过正常标准的

50%时，就会越出肾阈，即葡萄糖溢

出流进尿里去。从某一点上来说，把葡萄糖排入尿中乃是两种危

害中较轻的一种，因为如果让血液中葡萄糖的浓度再升高的话，就

会使血液的黏滞性升高，从而引起心脏过度疲劳。（心脏是用来泵

血液的，而不是泵糖浆的。）

检查是否患有糖尿病的传统方法是检验尿中有没有糖。例

如，可以把几滴尿与贝内迪克特溶液（为纪念美国化学家贝内迪克

特而命名）混合在一起加热。贝内迪克特溶液含有硫酸铜，呈深蓝

色。如果尿中没有葡萄糖，溶液仍保持蓝色。如果有葡萄糖，硫酸

铜就会变成氧化亚铜。氧化亚铜是一种砖红色不溶于水的物质。

因此，试管底部有带红色的沉淀就可以确认尿中含有糖，通常意味

着患有糖尿病。

现在可以使用一种更简便的方法。把一个长约

5厘米的小纸

条浸上两种酶，葡萄糖脱氢酶和过氧化物酶，再加上一种叫做联邻

甲苯胺的有机物质。把这种带黄色的纸条浸入病人的尿中，然后

再暴露在空气中。如果尿中有葡萄糖，葡萄糖就会在葡萄糖脱氢

酶的催促下和空气中的氧结合，在结合过程中，形成过氧化氢；接

着，纸条上的过氧化物酶使过氧化氢和联邻甲苯胺结合，形成一种

深蓝色的化合物。简单地说，如果把这种带黄色的纸条浸入尿中

而变蓝，就很可能是糖尿病。

尿中一旦开始出现葡萄糖，糖尿病的病情就相当严重了。最

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好能够在葡萄糖越过肾阈以前，通过检查血液中的葡萄糖水平，早

些发现糖尿病。现在普遍使用的是葡萄糖耐量试验。这种方法

是，先让一个人食用葡萄糖，等葡萄糖水平提高以后，再测定血液

中葡萄糖水平的下降速率。在正常的情况下，胰腺会相应地分泌

出大量的胰岛素。在健康人的体内，糖的水平会在两个小时内下

降到正常水平。如果这种高水平保持

3个小时或更长的时间，则

表明胰岛素反应迟缓，这个人可能处于糖尿病的早期阶段。

胰岛素可能与控制食欲有某种关系。

首先，我们都具有某些生理学家所说的食欲中枢，它可以像调

节火炉的恒温器一样调节我们的食欲。如果一个人的食欲中枢定

得过高，他就会发现自己摄入的热量总是大于消耗的热量，除非他

能够努力地自我控制，但迟早会累得精疲力竭。

20世纪

40年代初期，一位生理学家兰森指出，把动物的丘脑

下部的一部分破坏以后，动物就会长得肥大。这个地方似乎就是

食欲中枢的所在地。到底是什么东西控制着它的活动呢？人们马

上想到饥饿的折磨。胃里没有食物的时候，会出现波浪状的收缩，

食物进入胃后，这种收缩就停止了。大概这种收缩是给食欲中枢

传递信号的吧。事实并非如此，把胃切除以后对食欲的控制没有

任何干扰。

哈佛大学的

J.迈耶提出了一种更加微妙的意见。他认为，食

欲中枢和血液中的葡萄糖水平相呼应，当食物被消化以后，血液中

的葡萄糖水平缓慢地下降。当下降到低于某一水平时，食欲中枢

被打开；如果一个人响应食欲由此提出的要求，吃了食物，他血液

中的葡萄糖水平很快升高，食欲中枢就会随之关闭。

甾类激素

到目前为止，我们所讨论的激素或者是蛋白质（如胰岛素、胰

第十五章 人 体

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高血糖素、肠促胰液肽和甲状腺素），或者是修饰了的氨基酸（如甲

状腺素、三碘甲状腺素以及肾上腺素）。现在我们要讨论的是一组

完全不同的激素——甾类激素。

这些激素的故事是从

1927年开始的，当时两位德国生理学家

宗代克和阿什海姆发现，孕妇尿的提取物注射到雌鼠体内时，会激

起它们的性欲冲动。（这一发现导致了对妊娠的第一个早期检验

法。）事情很快就清楚了，宗代克和阿什海姆发现了一种激素——

具体地说，一种性激素。

在不到两年的时间里，德国的布特南特和圣路易大学的多伊

西就分离出了这种激素的纯样品，并命名为雌酮（源自于“动情期”

一词，专指雌性的性欲冲动）。它的结构很快就被研究了出来，原

来它是一种具有胆固醇四环结构的类固醇（即甾体）。由于在发现

性激素方面的贡献，布特南特被授予

1939年的诺贝尔化学奖。他

同多马克以及库恩一样，被迫拒绝受奖，直到纳粹统治灭亡以后，

才于

1949年接受了这项荣誉。

雌酮现在只是我们知道的叫做雌激素的一组雌性激素中的一

种。1931年，布特南特分离出了第一种雄激素，他把这种激素命

名为雄酮。

正是性激素的产生控制着青春期发生的各种变化，例如男性

胡子的生长和女性胸部的发育。女性复杂的经期也依赖于多种雌

酮的相互作用。

女性的性激素主要是在卵巢中产生的，男性的性激素主要是

在翠丸中产生的。

性激素并不是惟一的甾类激素。第一个甾类非性化学信使是

在肾上腺发现的。事实上，这些肾上腺都是双重腺体，是由叫做肾

上腺髓质的内层腺体和叫做肾上腺皮质的外层腺体组成的。肾上

腺素是由髓质产生的。1929年，研究人员发现，动物的肾上腺被

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切除以后，肾上腺皮质的提取物可以使动物存活——切除肾上腺

本来是

100%致命的手术。于是，人们立即开始了对皮质激素的

研究。

这项研究有一个实际的医疗理由支持着。著名的艾迪生氏病

（英国医生艾迪生

1855年首先描述了这种病）的病征和切除肾上

腺所引起的病征非常相似，显然，艾迪生氏病一定是由于肾上腺皮

质不能产生激素而引起的。或许注射皮质激素可以治疗艾迪生氏

病，正如胰岛素能够治疗糖尿病一样。

有两个人在这项研究中非常突出，他们是赖希施泰因（他后来

合成了维生素

C）和肯德尔（在将近

20年以前，他首先发现了甲状

腺素）。到

20世纪

30年代后期，研究人员已经从肾上腺皮质中分

离出了

20多种不同的化合物，其中至少有

4种表现出激素的活

性。肯德尔把这些物质命名为化合物

A、化合物

B、化合物

E、化

合物

F等等。所有的皮质激素都被证明是甾体。

由于肾上腺是非常微小的腺体，因此需要无数个动物的肾上

腺才能提供足够的皮质提取物供一般使用。很明显，惟一合理的

解决办法就是尝试用人工来合成这种激素。

第二次世界大战期间，一个虚假的谣传推动了皮质激素研究

的全速进展。当时有人报告说，德国人在阿根廷屠宰场购买了所

有的肾上腺，以制造皮质激素，来提高他们的飞行员高空飞行的效

能。实际上完全没有那么回事，但这一谣传却起了促使美国政府

的作用。美国政府把人工合成皮质激素方法的研究列到高度优先

的地位，甚至高于给予合成青霉素或抗疟疾药物的优先地位。

1944年肯德尔合成了化合物

A；第二年，默克公司开始大量

生产。令人失望的是，这种化合物证明对艾迪生氏病没有什么价

值。后来默克公司的生物化学家萨雷特经过艰苦的劳动合成了化

合物

E，合成的过程包括

37个步骤，这种化合物后来被称为可的

第十五章 人 体

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松。

化合物

E的合成在医学界没有立即引起什么震动，当时大战

已经结束；皮质激素对德国飞行员产生奇效的说法已被证明是谣

言；大有成功希望的化合物

A也终于失败。而后，在完全没有预

料的时刻，化合物

E突然制出来了。

梅奥医院的医生亨奇用了

20年的时间研究类风湿性关节炎，

这是一种非常疼痛、有时会导致瘫痪的疾病。亨奇推测体内具有

对抗这种疾病的天生机制，因为在妊娠期间或在患黄疸病期间，这

种关节炎的病情往往会减轻。他想不出黄疸和妊娠具有什么共同

的生物化学因素。他试着注射胆色素（黄疸中含有物质）和性激素

（妊娠时含有的物质），但两者都无助于他的关节炎病人。

可是，各种证据都表明，皮质激素是可能的答案。

1944年，已

有相当数量的可的松可以买到，亨奇就试用可的松。确实有效！

它不能根治这种病，正如胰岛素不能根治糖尿病一样，但它似乎可

以缓解这种病的症状，对于关节炎病人来说，仅这一点就谢天谢地

了。此外，后来证明可的松对艾迪生氏病也有帮助，而化合物

A

却完全无效。

由于他们在皮质激素方面的工作，肯德尔、亨奇和赖希施泰因

分享了

1950年的诺贝尔医学与生理学奖。

不幸的是，可的松对身体功能的影响是多样的，以至于经常产

生副作用，有些还相当严重。因此，除非在明确而紧迫需要的情况

下，医生们不愿意使用皮质激素疗法。为了避免严重的副作用，现

在人们使用的是与皮质激素有关的合成物质（有的在皮质激素的

分子里插入一个氟原子），但是现在发现都没有达到比较理想的程

度。到目前为止，人们发现的活性最大的一种皮质激素是醛固酮，

它是由赖希施泰因和他的同事们

1953年分离出来的。

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脑下垂体和松果体

是什么东西控制着所有这些种类不同而作用强大的激素呢？

所有的激素（包括我们还没有提到的一些激素）在体内都能够产生

激烈的作用，然而它们配合协调，使身体保持平稳地发挥功能而不

打乱节奏。看起来一定是在某个地方有一个指挥指导着它们的合

作。

最接近答案的就是脑下垂体，悬吊在脑底部的一个小腺体，但

它并不是脑的一部分。

脑下垂体有三个部分：前叶、后叶以及连接两叶的小桥（在某

些动物中）。前叶是最重要的，因为它产生至少

6种似乎专门作用

于其他内分泌腺的激素（全都是小分子的蛋白质）。换句话说，脑

下垂体的前叶可以看成是一个交响乐队的指挥，它使其他腺体按

时演奏并保持和谐。（有趣的是，脑下垂体正好位于颅腔的中央，

好像有意地把它安放在一个最安全的地点。）

脑下垂体的信使之一是促甲状腺激素（TSH），它根据反馈的

信息刺激甲状腺，就是说，它促使甲状腺产生甲状腺激素。血液中

甲状腺激素的浓度上升反过来抑制脑下垂体产生促甲状腺激素，

而当血液中促甲状腺激素下降又会减少甲状腺的分泌，于是又刺

激脑下垂体产生促甲状腺激素，就这样反复循环保持一种平衡。

促肾上腺皮质激素（ACTH）以同样的方式维持皮质激素的水

平。如果把额外的促肾上腺皮质激素注射到体内，它就会提高这

些激素的水平，从而可以达到和注射可的松本身同样的目的。因

此人们已经使用促肾上腺皮质激素来治疗类风湿性关节炎。

因为促肾上腺皮质激素和关节炎紧密相关，所以对促肾上腺

皮质激素结构的研究充满了活力。到

20世纪

50年代初期，它的

分子量就被测定为

20 000，但是它很容易分解成比较小的片段，这

些片段仍具有完全的活性。其中有一个片段是由

39个氨基酸的

第十五章 人 体

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链组成的，它的结构已被全部弄清，同时还发现，即使更短的链也

是有效的。

促肾上腺皮质激素能够影响动物的表皮色素沉着，甚至人的

皮肤也会受影响。人患有产生促肾上腺皮质激素过多的疾病时，

皮肤就会变黑。人们已经知道，在低等动物特别是两栖类动物中，

存在着专门使皮变黑的激素。

1955年在人的脑下垂体产物中终

于发现了这种激素，被称为促黑激素，通常简写成

MSH。

促黑激素的分子已经基本上搞清楚了。人们有兴趣地注意

到，促黑激素和促肾上腺皮质激素有一个共同的七氨基酸顺序，这

表明结构和功能有密切的联系（实际上确实如此）。

在谈到色素沉着的时候，我们不妨谈一谈松果体。它是一个

圆锥体，同脑下垂体一样，附着在脑的底部。因为它的形状像一个

松果，所以命名为松果体。虽然松果体看上去像腺体，但在

20世

纪

50年代以前没有找到它所分泌的激素。后来，发现促黑激素的

研究人员终于用

20万个牛的松果体分离出了一种微量的物质，把

这种物质注射到蝌蚪体内，可以使蝌蚪的皮颜色变浅，这种激素被

命名为降黑素，但它对人的黑色素细胞好像没有任何作用。

脑下垂体分泌的激素还没有全部列出。有两种垂体激素控制

着有关生殖器官的生长，它们是促黄体素（ICSH）和促卵泡激素

（FSH）。此外，还有一种催乳激素，刺激乳汁的产生。

催乳激素还刺激其他妊娠后的活动。给年青的雌鼠注射这种

激素后，它们就忙于筑巢，尽管它们还没有生产。另一方面，在雌

鼠快要生产以前把它们的脑下垂体切除，它们则表现出对幼鼠不

感兴趣。于是报纸立即把催乳激素称做“母爱激素”。

这些与性组织有关的垂体激素合在一起统称为促性腺激紊。

这类激素中还有一种物质是由胎盘产生的（胎盘是用以把营养成

分从母体的血液传送给发育中的胎儿的血液，再以相反的方向把

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废料从胎儿传送给母体的一种器官）。胎盘激素叫做人绒膜促性

腺激素（HCG）。在开始怀孕后的

2～4周，人绒膜促性腺激素产

生的量相当大，因此会在尿中出现。如果把孕妇的尿的提取物注

射到小白鼠、青蛙或兔子体内，就会发现明显的效应，利用这种方

法可以在非常早的阶段测定出是否已经怀孕。

前叶垂体激素中最引人注目的是促生长激素（STH），更普及

的名称是生长激素。它的作用是普遍的，即刺激整个身体的生长。

一个小孩如果不能产生足够的这种激素供应，他就会成为一个侏

儒；如果产生的过多，他就会长成一个巨人。如果一个人成熟以后

（即骨骼已完全形成并且已经硬化）才发生这种生长激素分泌过多

的病征，就会使只有肢体的末端如手、脚和下巴等长得特别大，这

种情形叫做肢端巨大症。1970年李卓浩合成的就是这种生长激

素（他在

1966年首先确定了这种激素的结构）。

脑的作用

激素作用缓慢。它们必须先由腺体分泌出来，再由血液运送

到靶器官，而且还要蓄积到某一适当的浓度。神经作用则非常快。

慢速控制和快速控制都是身体在各种情况下所需要的，有两个系

统作用要比只有两者之中的任何一个功效高。

脑下垂体是一种主要腺体，它非常靠近脑，人们怀疑它几乎就

是脑的一部分。脑下垂体通过一个狭长的茎状体附着在丘脑下

部。自

20世纪

20年代以来，人们一直怀疑脑下垂体和丘脑下部

有着某种联系。

1945年，英国生物化学家哈里斯提出，丘脑下部的细胞产生

的激素，可以由血液直接传递给脑下垂体。这些激素已被探测到

并命名为释放因子。每一种特殊的释放因子会使前叶垂体产生其

中的一种激素。

第十五章 人 体

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这样，在某种程度上，神经系统能够控制激素系统。事实上，

脑不仅越来越像一个排列复杂的神经细胞的“交换台”，而且可能

被证明是一个同样复杂的高度专门化的化工厂。

例如，脑含有某些接受神经冲动的感受器，在通常的情况下，

通过产生痛感而作出反应。如果把麻醉剂，如吗啡和可卡因，附着

在感受器上，就会感觉不到疼痛。

有些时候，人们在正常情况下会感觉到的疼痛，在情绪激动时

却感觉不到，此时一定是某种天然化学物质阻碍了痛觉感受器。

1975年，在一些实验室里从动物的脑中发现并分离出了这类化学

物质。它们是一些肽，即一些短链氨基酸，最短的是脑啡肽，只有

5个氨基酸组成，比较长的是内啡肽。

情况可能是这样的：脑快速地产生大量不同的肽，每种肽都会

以某种方式影响脑的作用，这些肽既容易产生，又容易分解。要了

解脑，看来必须从化学方面和电学方面进行深入的研究。

前列腺素

在离开激素以前，我还要谈一组激素，这组激素近年来日益突

出，它们既不是由氨基酸也不是由类固醇核组成的。

在

20世纪

30年代，瑞典生理学家奥伊勒-凯尔平从前列腺中

分离出一种脂溶性物质，少量使用可以降低血压并使某些平滑肌

收缩。（奥伊勒

-克尔平是诺贝尔奖金获得者奥伊勒

-凯尔平的儿

子，由于他对神经传导方面的研究，

1970年也和别人分享了诺贝

尔医学与生理学奖。）奥伊勒

-克尔平把这种物质命名为前列腺素，

因为它是从前列腺中分离出来的。

后来证明，前列腺素不是一种物质，而是多种物质。现在已经

知道的前列腺素至少有

14种。它们的结构已经研究清楚，人们发

现它们都与多不饱和脂肪酸有联系。这可能是因为身体合成前列

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腺素时需要从食物中摄取这些自己不能制造的脂肪酸。所有这些

激素对血压和平滑肌的作用都相似，但程度不同。它们的功能目

前还没有完全搞清楚。

激素的作用

激素是怎样工作的呢？

看来可以肯定，激素并不像酶那样作用，至少，没有发现任何

激素能直接催化一种特异的反应。另一个想法是，一种激素即使

其本身不是一种酶，它也对一种酶起作用：促进或抑制一种酶的活

性。所有的激素中研究得最彻底的是胰岛素，而胰岛素似乎与葡

萄糖激酶有一定的关系。葡萄糖激酶是葡萄糖转化成糖原所必需

的。前叶垂体和肾上腺皮质的提取物可以抑制这种酶，而胰岛素

能够解除这种抑制。因此，血液中的胰岛素可能起着活化这种酶

的作用，从而加速葡萄糖转化为糖原的过程。这会有助于说明胰

岛素是怎样降低血液中的葡萄糖浓度的。

然而，胰岛素的存在与否对代谢的影响是多方面的，所以很难

说明这一种作用是怎样引起糖尿病人体内化学存在的所有异常现

象的。（对其他激素来说也是这样。）于是生物化学家们倾向于寻

找一些更总体和更全面的作用方式。

有人提出，胰岛素以某种方式起着使葡萄糖进入细胞的作用。

根据这种学说，糖尿病患者血液中之所以含有高葡萄糖水平，只是

因为糖不能进入他的细胞，因而他不能利用它。（在解释糖尿病人

难以满足的胃口时，我前面提到的那个

J. 迈耶曾经提出，这是因

为病人血液里的葡萄糖很难进到食欲中枢的细胞里去。）

如果胰岛素帮助葡萄糖进入细胞，那么，它一定以某种方式作

用于细胞膜。到底是怎样作用的呢？细胞膜是由蛋白质和脂肪物

质组成的。我们可以推测，作为一种蛋白质分子的胰岛素，可能以

第十五章 人 体

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某种方式改变细胞膜蛋白质上氨基酸侧链的排列，从而为葡萄糖

（也可能为许多其他物质）把门打开。

如果我们对这种一般性的推测表示满意，我们可以进一步假

设，其他的激素也作用于细胞膜，每种激素都有自己的作用方式，

因为每种激素都有其特殊的氨基酸排列。同样，甾类激素，如脂肪

物质，可能也作用于细胞膜的脂肪分子，打开或关闭某些物质的

门。显而易见，通过帮助一种给定物质进入细胞或阻止它进入细

胞，一种激素会对细胞内进行的活动产生激烈的作用。它可以给

一种酶提供大量的作用底物和剥夺另一种酶的作用底物，从而控

制细胞的产生物。假定一种激素可以决定一些不同的物质进入或

不进入细胞，我们就可以明白，一种激素的存在与否为什么能够深

刻地影响代谢，就像实际上胰岛素的情况所表明的那样。

上面我描绘的这幅图画是吸引人的，但又是模糊的。生物化

学家们更想知道，在一种激素的影响下细胞膜上发生的精确反应。

这方面的了解起始于

1960年发现的一种特殊核苷酸，它很像腺苷

酸，只是磷酸基连接在糖分子的两个不同的地方，它的发现者萨瑟

兰和拉尔给它命名为环化腺嘌呤单核苷酸（cAMP）。由于这项研

究萨瑟兰获得

1971年的诺贝尔医学与生理学奖。

环化腺嘌呤单核苷酸一被发现，人们就发现它广泛地分布在

组织中，并发现它对多种不同酶的活性和细胞过程具有显著的作

用。环化腺嘌呤单核苷酸是通过位于细胞表面的腺苷酸环化酶作

用于普遍存在的腺苷三磷酸（

ATP）而产生的。这种酶可以有许多

种，每一种都在一种特定的激素存在的情况下产生活性。换句话

说，激素的表面活性可以使腺苷酸环化酶活化，从而导致环化腺嘌

呤单核苷酸的产生，环化腺嘌呤单核苷酸再改变细胞内酶的活性，

使细胞产生许多变化。

毫无疑问，这些过程的细节是非常复杂的，除了环化腺嘌呤单

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核苷酸外可能还有其他化合物（很可能有前列腺素）参加作用，但

这是一个开端。

死 亡

现代医学在治疗感染、癌症和营养缺乏病方面所取得的进展，

增加了任何一个人长寿的可能性。这一代出生的人有一半可以期

望活到 70岁高龄（只要不发生核战争或其他重大灾害）。

古时候活到老年的人非常稀少，这无疑是当时对老年人特别

尊敬的一个原因。例如，在荷马史诗《伊利亚特》中，就着重描写了

“年老的”特洛伊国王普里阿摩斯和特洛伊战争中的贤明长老内斯

特。内斯特被描写成活了三代的人，但是当时的平均年龄不会超

过 20～25岁，所以内斯特活了三代也不一定超过 70岁。那时可

以说是高龄了，但用现在的标准来看并不是特别的老。因为在荷

马时期内斯特给人们留下了这种长寿的印象，后来的神话学家们

猜测，他大概活了 200来岁。

随便再举一个例子。莎士比亚的历史剧《理查二世》是用这样

的台词开始的：“高龄的约翰·刚特，德高望重的兰开斯特。 ”根据当

时的记录，约翰·刚特的同代人也认为他是一个年纪很大的人。当

人们知道约翰·刚特只活了 59岁时，一定会有点吃惊。我们自己

历史上的一个有趣的例子就是美国总统林肯，不知是因为他的胡

子，还是因为他那阴郁而削瘦的脸，或者是因为当时的歌曲中把他

称做“父亲亚伯拉罕”，在他死的时候大部分人都认为他是一个老

年人。这只是人们的愿望而已，他遇刺时只有 56岁。

所有这些并不是说在现代医学以前的年代里没有真正高龄的

第十五章 人 体

第十五章 人 体

老人。在古希腊，索福克勒斯，剧作家，活到

90岁；伊素克拉底，雄

辩家，活到

98岁。5世纪罗马的卡西奥多鲁斯谢世时

95岁。威

尼斯

12世纪时的总督丹多洛活到

97岁。文艺复兴时期的画家提

香活到

99岁。在路易十五时代，著名枢机主教黎塞留的侄孙黎塞

留公爵活到

92岁；法国作家丰特奈尔仅差

1个月就满

100岁。

这些强调说明这样一个问题，虽然在现今医学进步的社会里，

平均预期寿命有了很大提高，但是最长的寿命期却没有提高。即

使在今天，我们也只能期望极少数人达到或超过伊素克拉底和丰

特奈尔的寿命；同时，我们也不能期望现在

90岁以上的人能够以

更大的活力参与生活事务。索福克勒斯

90岁高龄后还在写他的

伟大剧本；伊素克拉底也在创作他的伟大演说；提香在生命的最后

一年仍从事绘画；丹多洛是一位不屈不挠的领袖，

96岁时还领导

反抗拜占庭帝国的威尼斯战争。（在现代一些比较有活力的老年

人中，我能想到的最好的例子是肖伯纳，他活到

94岁；还有英国数

学家和哲学家

B. 罗素，他在

98岁谢世时仍很活跃。）

虽然今天可以活到

60岁的人口比例比以前大得多，但是

60

岁以上的预期寿命比过去提高得很少。大都会生命保险公司估

计，1931年

60岁的美国男性的预期寿命和

150年以前基本相同。

1931年以来，抗菌素的出现使两性

60岁的预期寿命提高了

2.5

岁。但是总的来说，尽管医学和科学取得这一切进展，老化还是像

往常一样以几乎相同的速率和同样的方式侵袭着每一个人。我们

还没有找到一种方法能够阻止人体机器逐渐衰弱直至最终毁坏。

动脉粥样硬化

如同其他形式的机器一样，首先损坏的是活动部件。循环系

统——跳动的心脏和动脉——从长远的观点来看是人类的最大弱

点。在征服早死的进程中，这个系统的疾病已被提高到头号杀手

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的地位。在美国，死亡的人数中有一半是由于循环系统的疾病；在

这些疾病中，单动脉粥样硬化就占

1/4。

动脉粥样硬化（源自希腊语，意思是“粉状的硬东西”）的特征

是，颗粒状的脂肪沿着动脉的内表面沉着，从而迫使心脏更加费力

地工作，以推动血液以正常的速度流过血管。于是血压上升，小血

管的应力随之增加，因而可能导致小血管破裂。如果这种情况发

生在脑部（一个特别脆弱的区域），人就会得脑溢血，也叫中风。有

时血管的破裂很小，只引起轻微和暂时的不适，甚至完全觉察不

到，但是血管的大块破裂则会导致瘫痪或迅速死亡。

给心脏本身供氧的冠状动脉特别容易患粥样硬化而变窄。由

此造成的心脏缺氧会引起心绞痛而终于致死，虽然并不一定很快

致死。

动脉的粗糙和变窄还会导致另一种危险。因为血液沿着变粗

糙的血管内表面流动，摩擦增加，所以更容易形成血块，而血管变

窄增加了血块完全阻止血液流动的可能性。为心肌提供养料的冠

状动脉一旦堵塞（冠状动脉血栓形成），会造成几乎立即死亡。

到底是什么引起在动脉壁上形成沉积物的呢？对于这个问题

医学科学家们有很多争论。胆固醇看来肯定参与了这一过程，但

它到底是怎样参与的仍远未搞清。人的血液的血浆中含有脂蛋

白，它是由胆固醇和结合到某些蛋白质上的脂肪物质组成的。构

成脂蛋白的一些成分在血液中保持一恒定的浓度，不论在健康或

患病、饭前或饭后等情况下，都是如此；另一些成分有波动，饭后会

上升。还有一些成分胖人特别高，有一种富含胆固醇的成分，体重

超重的人和患有动脉粥样硬化的人特别高。

动脉粥样硬化倾向于和高血脂一起发生，肥胖症也是如此，体

重过重的人比瘦人更容易患动脉粥样硬化。糖尿病患者的血脂一

般都比较高，因此也比一般人更容易患动脉粥样硬化。而且，说得

第十五章 人 体

第十五章 人 体

更圆满一点，胖人糖尿病的发病率比瘦人高得多。

因此，那些活大年纪的人常常是瘦小的人，这不是偶然的。身

材高大肥胖的人可能生活得很愉快，但是他们通常不容易活很大

年纪。（当然，总有一些例外，人们可以举出丘吉尔和胡佛等人，他

们都不瘦却度过了

90岁诞辰。）

现在，关键的问题是，能否通过饮食来促进或防止动脉粥样硬

化？动物脂肪，如牛奶、鸡蛋和黄油，含胆固醇特别高；植物脂肪则

完全没有胆固醇，而且，植物脂肪的脂肪酸主要是不饱和型的，据

说能够对抗胆固醇的沉着。1984年，对这些物质的研究似乎确定

性地证明，食物中的胆固醇与动脉粥样硬化有关，于是很多人便食

用低胆固醇食物，以期阻止血管壁变厚。

当然，血液中的胆固醇并不一定是从食物的胆固醇中衍生来

的。人体能够毫不费力地制造它自己的胆固醇，而且一直在制造

着，即使你食用完全没有胆固醇的食物，在你的血液脂蛋白中仍会

有大量的胆固醇供应。因此，似乎可以合理地猜想，问题不在于有

没有胆固醇的存在，而在于一个人有没有使胆固醇在它危害最大

的地方沉着的倾向。可能存在着一种过量地制造胆固醇的倾向。

生物化学家们正在寻找能够抑制胆固醇形成的药物，希望这些药

物在易患这种病的人体内能够阻止动脉粥样硬化的发展。

同时，冠状动脉分流手术自

1969年引用以来已经变得非常普

遍而且非常成功。这种手术是把病人体内的其他血管连接在冠状

动脉上，使血液能够自由地通过旁路绕过动脉粥样硬化区域给心

脏供应充足的血液。这种手术似乎并不能延长一个人总的预期寿

命，但它可以使一个人在最后的岁月里免除心绞痛的痛苦，而这就

相当不错了。

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老化

但是，即使不患动脉粥样硬化的人也要变老。老化是一种普

遍发生的疾病，没有什么能够阻止滞缓衰弱、骨质增脆、肌肉无力、

关节僵硬、反应减慢、视力模糊和思维迟钝。这些现象发生的速率

有些人快些，有些人慢些，但不论快慢，这个过程是不可抗拒的。

或许我们对此不应该过分地抱怨，即使老化和死亡必定到来，

它们来得也特别缓慢。总的来说，哺乳动物的生命期与它们的大

小有关。最小的哺乳动物鼩鼱可以活

1年半，老鼠可以活

4～5

年，兔子可以活

15年，狗可以活

18年，猪可以活

20年，马可以活

40年，而大象能活

70年。诚然，动物越小它的生活节奏就越快，

例如，它的心跳就越快。鼩鼱每分钟心跳

1 000次，而大象每分钟

心跳

20次。

事实上，一般的哺乳动物似乎充其量只能活到心跳

10亿次。

对这个一般的规律来说，人类本身是一个最令人惊讶的例外。虽

然人比马小得多，比大象小得更多，但人能够比任何哺乳动物都活

得更长。即使我们不考虑边远地区关于老年人的传说，因为那些

地方没有保存精确的记录，我们也有寿限达

115岁的相当确凿的

证据。脊椎动物中惟一超过这一记录的，无疑是一些大个的行动

缓慢的乌龟了。

人的心跳大约是每分钟

72次，正好是所预期的与人同样大小

的哺乳动物的心跳次数。世界上技术发达地区的平均预期寿命为

70岁，在这

70年中，人的心脏要跳动

25亿次；活到

115岁时，心

脏已跳动大约

40亿次。即使我们最近的亲缘，巨型猿类，也达不

到这个数字，甚至接近不了这个数字。比人大得多的大猩猩最多

能活

50年。

毫无疑问，人的心脏比所有其他动物的心脏工作期限都长。

（乌龟的心脏可能持续的时间更长，但它的生活远不如人的激烈。）

第十五章 人 体

第十五章 人 体

我们还不知道为什么人能活这么长的时间；但是作为人来说，我们

更关心的问题是，为什么我们不能活得更长一些。

那么，到底什么是老化呢？到目前为止，只有一些猜测。有些人

认为，人体抵抗感染的能力随着年龄的增长而减低（减低的速率

决定于遗传）；另一些人猜测，各种残渣在细胞内积累起来（同样，

积累的速率也因人而异）。这些残渣是正常细胞反应的副产物，细

胞既不能把它们毁掉也不能把它们排除，天长日久便慢慢地在细

胞内沉积起来，直到最后严重地干扰细胞的代谢，使细胞停止执行

功能。按照这种学说，当有足够的细胞失去作用时，人就会死亡。

这种观念的另一种说法认为，蛋白质分子本身变为残渣，因为蛋白

质分子间出现交叉连接，所以它们变硬变脆，最后使细胞机器停止

运转。

如果是这样的话，那么“死亡”就是细胞机器内部的问题。卡

雷尔曾使一片胚胎组织存活了几十年，这似乎可以使人们认为细

胞本身可能是不死的：只有亿万个个体细胞结合成组织才会带来

死亡。也就是说，是组织死亡，而不是细胞死亡。

显然不是这种情况。现在人们认为，卡雷尔在培养组织的过

程中，可能不知不觉地把新鲜细胞引入了他的制剂。用严格排除

引入新鲜细胞的隔离的细胞或细胞群所做的实验看来可以证明，

细胞不可避免地要老化，其分裂总计不会超过

50次——大概是通

过关键细胞成分里的不可逆变化而老化的。

但是，人的寿命期特别长。会不会是人的组织已经发展出逆

转或抑制细胞老化效应的方法，而且这些方法比任何其他哺乳动

物的方法更为有效？此外，鸟类比起同样大小的哺乳动物来活的

时间要长得多，尽管鸟类的代谢比哺乳动物的代谢快得多，这会不

会也是由于逆转或抑制老化的优异能力？

如果一些生物比其他生物更能阻止老化，似乎没有理由认为，

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人类不能学会并改进这种方法。这样，老化不就可以治疗了吗？

人类不就可以发展出一种能力，以享受大为延长的寿命期甚至长

生不老吗？

有些人存在着这方面的笼统的乐观主义情绪。过去医疗上的

奇迹似乎预示着未来无限奇迹的来临。如果是这样的话，生活在

一个不能治疗癌症、关节炎或老化的时代该是多么的遗憾！

因此，在

20世纪

60年代末期，出现了一种在病人临死的时候

把人体冰冻起来的倾向，以便使细胞机器尽可能完整地保存下来，

直到他的病可以治愈的那一天才解冻。那时他（或她）就会复活，

而且会使他（或她）健康、年轻、愉快。

诚然，目前没有迹象表明，任何死人能够复活，或者任何冰冻

起来的身体（即使在冰冻时仍活着）能够在解冻后复活。这种做法

（人体冷冻学）的支持者也没有充分注意到大批尸体复活可能引起

的混乱。人对长生不死的追求胜过一切。

实际上，把人体完整地冰冻起来，即使完全可能使他们复活，

也没有什么意义，只是浪费而已。目前生物学家们已经非常幸运

地从各类特化细胞中发展出整个的生物体，皮肤细胞或肝细胞说

到底具有其他细胞所具有的同样的遗传组成，也就是原始的受精

卵所首先具有的遗传组成，之所以将细胞特化是因为各种基因受

到不同程度的抑制或活化成为不同的细胞。但是，是否可以解除

基因的抑制或活化作用呢？能否使特化的细胞变成和一个受精卵

等同的细胞，并重新发展成一个生物体——从遗传的观点来说，一

个和以前它们作为组成部分的生物体相同的生物体呢？无疑，这

种方法（叫做克隆）为一种基因的保存提供了更大的希望（如果不

考虑记忆或人格的话）。这样就不必冰冻整个尸体，只要切断一个

小脚趾冰冻起来就可以了。但是，我们真的希望长生不死吗？不

论是通过人体冰冻法，或是通过克隆法，还是通过简单地逆转每个

第十五章 人 体

第十五章 人 体

人老化现象的方法。几乎没有人不乐意接受长生不死，当然要比

较地没有疼痛、痛苦和老化效应。但是，假定我们都长生不死，情

况又会如何呢？

很清楚，假如地球上很少或没有死亡，就必然很少或没有出

生，这就意味着一个没有婴儿的社会。可能这不是致命的问题：一

个以长生不死为自我中心的社会在完全排除婴儿的情况下也不会

停止。

但是，那样能行吗？那将是一个由同样的脑子组成的社会，人

们有着同样思维，以同样的方式按着老一套循环不已。必须记住，

婴儿拥有的不仅是年轻的脑子，而且是新的脑子。每一个婴儿（除

同胎多生外）都具有不同于以前生存过的任何人类个体的遗传组

成。正是由于婴儿，才不断地有新的遗传组合注入人类，从而开辟

了优化和发展的道路。

降低出生率水平是明智的，但是我们应该完全不让婴儿出生

吗？消除老年的痛苦和不适是令人愉快的，但是我们应该创造一

个由老人组成的人种吗？他们年迈、疲倦、厌烦、单调，而且从不接

受新的更好的东西。

或许长生不死的前景比死的前景更为糟糕。

（王秀霞 译）

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第十六章 物 种

种类繁多的生物

如果想要充分了解人类本身，就必须了解人和地球上其他生

物的关系。

在原始文化时期，往往认为人和其他生物的关系很密切。许

多部落把某些动物当作祖先或有亲缘的手足，因此，杀害或吃掉这

些动物，都是犯罪行为，除非是在特殊祭典仪式时才可例外。像这

样把动物作为神明，就是所谓的图腾（来自美洲印第安语）。在原

始文化以后的文化里，也还有图腾的现象，埃及兽头人身的神像，

以及现代印度人对牛、猴的尊敬，可能都是图腾的遗风。

此外，西方文化很早就把人和其他低等动物明显地区分开来，

这从希腊和希伯来人的观念中，便可以清楚看出，而《圣经》中的记

载则强调亚当是上帝依照他自己的形象特意创造出来的（《创世

记》第

1章第

26节）。虽然如此《圣经》中仍然证实了人对低等动

物极有兴趣。《圣经》中的《创世记》提到，亚当原先在伊甸园中自

由自在地过日子时，上帝赋予他的任务就是给各种飞禽走兽命名。

对此初看起来，似乎并非难事，也许一两个小时内就可以完成

了。《圣经》里所记载的诺亚的方舟里，每种动物均保存两个，即一

个公的，一个母的。如果将《圣经》中所谓的“肘”——由手肘到中

第十六章 物 种

第十六章 物 种

指尖的距离——换算成现在的尺寸，就是约

46厘米，那么方舟的

尺寸大约是：长

137米，宽

23米，高

14米。希腊的自然哲学家也

把生物的世界想得很有限，亚里士多德仅能列出

500种左右的动

物，而他的学生泰奥弗拉斯托斯，是古希腊最杰出的植物学家，也

只能列出

500种左右的植物。

如果把各类大象都看成是同一个种的，各种骆驼也是一个种，

跳蚤也是一个种，那么古希腊的博物学家及哲学家列出来的动、植

物的种类数就比较合理了。然而，事实上却比这种说法复杂得多，

博物学家了解到，生物乃是根据能否互相交配来加以区别的。印

度象和非洲象不能互相交配，因此就应该看成是两种不同的象；同

样，单峰骆驼（也叫阿拉伯骆驼）和双峰骆驼也是不同种的两种骆

驼；至于跳蚤这类咬人的小昆虫，竟然可分为

500种！

几个世纪以来，不论在陆地、空中或海洋，随着新地区的考察，

生物学家不断地发现新种，使动物及植物数目，如天文数字般快速

地增长。在

1800年之前，已知道有

7万种，今天却已超过

150万

种，其中

2/3为动物，

1/3为植物，而生物学家认为还会不断有新

种被发现。

甚至连大型的动物新种也在某些较特殊的地区被发现。霍加

坡是一种类似长颈鹿而大小像斑马的反刍类动物，直到

1900年才

在非洲刚果丛林中被发现。甚至

1983年在印度洋某岛上还发现

了一种新品种的信天翁，同时在亚马孙丛林中发现了两种新品种

的猴子。

在探测困难的深海里，相信还潜藏有许多未被发现的物种。

最大的无脊椎动物——巨大乌贼，直到

19世纪的

60年代才被证

实存在，而腔棘鱼也是到

1938年才被发现的。

至于小动物如昆虫、蠕虫等等，几乎每天都有新种被发现。据

保守的估计，目前地球上的生物约有

1 000万种。所有曾经出现

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过的生物种类，约有

90%已经绝种，如果这个估计是真的话，那么

在地球史上的某一时期，应存有约一亿种的生物。

生物的分类

如果不依据某些关系把生物加以分门别类，那么，生物界中那

么多的种类，将会多么混乱！首先，我们可以将生物分为几个族

群：例如猫、虎、狮子、美洲豹等等和猫相似的动物，都归为猫科；同

样，狗、狼、狐狸、胡狼、土狼则划分为犬科，以此类推。依据明显而

又很普通的标准，可以继续把动物分为肉食类和草食类两大类。

古人也根据生物的栖所来分类，把所有生活在海中的都叫做鱼，所

有在空中飞的都称为鸟。如果以这种标准来看，鲸便是鱼类中的

一种，而蝙蝠则是鸟类了。事实上，鲸和蝙蝠的关系，比鲸和鱼或

蝙蝠和鸟的关系都密切得多：鲸和蝙蝠两者都是胎生，而且鲸的呼

吸器官是肺，而不是和鱼类一样用鳃来呼吸；蝙蝠身上长毛发，不

像鸟类长羽毛。鲸和蝙蝠都归在哺乳类，凡是哺乳类都是胎生，并

且用乳汁哺育幼儿。

最早试图建立分类系统的人是一位英国人，名字叫雷。他在

17世纪时，就把当时书籍里的所有植物（大约

1.86万种）予以分

类，随后，他又按照他自己认为最合逻辑的分类系统，将所有动物

分类。例如，他把开花的植物分为两群，即在种子中具有一个子叶

的为一群，具有两个子叶的为另一群。子叶是种子胚内叶状的小

瓣，因为它位于种子中的杯状空隙内，因此子叶的原文就是由希腊

文“杯子”转变而来的。雷把具有一个子叶的植物，称为单子叶植

物，有两个子叶的植物称为双子叶植物。这种分类方法（与早在

2000年前泰奥弗拉斯托斯所建立的分类法相似），至今仍在应用。

在种子的胚中有一个子叶或两个子叶，这项差异本身并不重要，而

重要的是在单子叶植物和双子叶植物之间有许多方面完全不同。

第十六章 物 种

第十六章 物 种

单子叶、双子叶就好比一个记号，它代表这两群植物的各方面差

异。同样，哺乳类长毛发，而鸟类则生长羽毛，这项差异也只是两

类动物之间许多差异中较为显而易见的记号而已。

虽然雷及其他学者曾提出不少分类的新构思，但是，真正奠定

分类科学即分类学（这个字来自希腊文）基础的人，是一位叫林奈

的瑞典植物学家。他建立的分类学，构思很有特色，所以大部分特

征直到今天还保留着。1737年林奈在一本名为《自然分类》的书

中，提出他的分类系统，把相似的种归在属（拉丁文“族”、“类”之

意）内，相关的属又归于目，相似的目又合为纲。每一个植物种，都

给一个双名，即学名，它是由属名加上种名形成的

①（和姓名差不

多，属名相当于姓，种名好比是名字）。照这样看，猫属的成员包括

狮子、虎、豹等等。包含在犬这一属中的有狗、欧洲灰狼、美洲树狼

等等。两种骆驼的名字分别为双峰骆驼及单峰骆驼（其中骆驼是

属名，单峰和双峰是不同的种名）。

1800年前后，法国博物学家居维叶在分类系统的纲之上又加

设了门。一个门是由所有共同祖先的生物组成的。德国文学家及

诗人歌德最强调这个概念，而且也解释得很清楚，例如，哺乳类、鸟

类、爬行类、两栖类及鱼类，因为它们都具有脊椎骨，附肢不超过

4

个，红细胞内有血红蛋白，所以它们都属于同一个门。昆虫、蜘蛛、

龙虾、蜈蚣属于同一门，蛤蚌、牡蛎、贝类又是另外一门。19世纪

20年代，瑞士植物学家康多尔把林奈的植物分类法加以改进。他

分类时，不只依据外部形态，而是注重植物的内部构造及功能。

将在下面叙述的生命系统树的排列，是由最普通的分类到最

特定的分类。

①这种命名法就是直到现在在生物分类学上仍使用的“二名法”，也叫做“双名命

名制”。——译注

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首先由界谈起。很久以来，都认为只有两个界——植物界和

动物界。然而对微生物的认识越清楚，就越觉得生物复杂，所以美

国生物学家惠塔克认为，生物应该分为五个界。

按惠塔克的分类法，植物界和动物界都只限于多细胞生物。

植物界的特征是：含有叶绿素（所以也叫做绿色植物），能进行光合

作用。动物界的特征是：能摄取其他生物有机物为食物，并有消化

系统。

第三个界是真菌界，也属多细胞，类似植物，但不含叶绿素，虽

然也以其他生物有机物为食，但不像动物那样摄取食物，而是分泌

一种消化酶，在体外把食物消化后再吸收到体内。

另外两个界都是由单细胞生物组成。原生生物界，这个名字

是由德国生物学家海克尔于

1866年创立。原生生物界包含真核

生物。它们的细胞有的像动物细胞，例如原生动物中的变形虫、草

履虫等皆是；有的像植物细胞，例如藻类。

最后一界叫做原核生物界，它包含一些单细胞原核生物，即细

菌与蓝藻。病毒和类病毒并没有包括在上述的五个界中，这些是

单细胞级以下的生物，似乎可以组成第六个界。

植物界按分类系统又分为两大门——苔藓植物门（包含所有

苔类及藓类）和导管植物门（包括所有具输导汁液的导管的植物），

后者几乎包括了所有我们平常所说的植物。

导管植物门下有

3个纲：蕨纲、裸子植物纲和被子植物纲。蕨

纲中的蕨类利用孢子来繁殖；裸子植物纲的种子裸露于外，包含常

绿结球果的松柏类；被子植物纲，其植物的种子包裹在胚珠内，我

们常见的熟知的植物，绝大多数都属于这个纲。

至于动物界，本书只列出重要的门。

海绵动物门：这门的动物是由多细胞集成的群体，生活在具有

许多小孔的骨骼状结构里。它们就是海绵。海绵的每个细胞都表

第十六章 物 种

第十六章 物 种

现出特化的迹象，但仍保持一定的独立性，如用丝网挤压过滤，迫

使其分成单细胞之后，它们又会聚合成新的海绵。

（一般来说，各门动物，其器官特化程度越完全，它的细胞或组

织的独立性就越低。简单的生物被分成几块之后，各块仍能长成

为完整的个体，这种过程叫做再生。稍为复杂一些的动物，切断之

后可以再长出附肢。到了人类，再生能力已经相当低，我们可以再

长出指甲，若手指断了就无法再长出完整的手指来。）

真正可称为多细胞动物的是腔肠动物门。它们的形状基本上

都是杯状，具有两个胚层，一为外胚层（外皮），另一为内胚层（内

皮）。最常见的腔肠动物是水母和海葵。

接着要讨论的动物都具有第三层胚层——中胚层。1845年

德国生理学家

J. P.弥勒和雷马克，最先确立第三个胚层。由这三

胚层组成动物的各种器官，甚至在最复杂的动物——人类的身上，

也是一样。

中胚层是在胚胎发育时逐渐形成的。根据其形成的方式不

同，又把动物分为两个超门。中胚层如果位于外胚层和内胚层之

间，属于环节动物超门；只在内胚层内形成的，属于棘皮动物超门。

环节动物超门中最简单的是扁形动物门，它包含的不只有寄

生的条虫，而且还有一些非寄生的动物。扁形动物具有收缩性的

纤维，相当于原始的肌肉，也有头、尾和特别的生殖器官，并开始有

排泄器官。另外，扁形动物是两侧对称的，身体的左右两半互为镜

像。运动时头在前，感觉器官以及发育不全的神经集中在头部，因

此，可以认为它们已开始有形成脑的趋势。

接着是线形动物门，在这门中最为人熟知的是钩虫。线形动

物有原始的血液循环——一种在中胚层内的液体，细胞就浸泡在

其中，食物和氧由血液传输给各个细胞。由于这样，线形动物的身

体可以较厚，不像扁形动物那样薄，因为有血液可把养分送给内部

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细胞。线形动物的肠道有两个开口，一个供食物进入，另一个将废

物排出（与肛门相似）。

在这个超门下面的两个门都具有坚硬的外骨骼。其中一门是

腕足动物门，它的背腹两面都有碳酸钙质的外壳，因为外形与古罗

马油灯相似，故西方人常称这类动物为灯壳动物。另一门为软体

动物门，这门动物的身体柔软，包在一个壳内，壳大多由左右两半

组成，而不像腕足动物是由背、腹两面组成的，最熟悉的软体动物

有蚌、牡蛎、蜗牛等。

环节动物超门中，最重要的一门就是环节动物门。它的特征

是由很多体节形成，每个体节都可以作为一个单独的个体，每一节

都有一对由主神经干分支出来的神经，有血管、排泄废物的小管以

及肌肉等等。蚯蚓是最常见的环节动物，由于每一体节都有环状

肌肉，当肌肉收缩时体节就会向外突起，事实上环节动物这个名字

在拉丁文中就是“小圆圈”的意思。

很显然，分节可以使动物更有效地发生动作，因为动物界中最

成功的种类，包括人类在内，都是分节的（不分节的动物中，以乌贼

最为复杂而完美）。假如你感到奇怪，人怎么会分节呢？那么想想

你的脊椎骨和肋骨，每一块脊椎或肋骨都代表一个体节，有自己的

神经、肌肉和血管。

环节动物没有骨骼，身体软，而且没有什么防御能力；节肢动

物门却既分节又有骨骼，骨骼分节和体节一致，骨骼有关节，所以

运动很灵活。骨骼是由壳多糖组成，而不是由沉重不变的石灰石

或碳酸钙组成的，所以既轻又坚韧。龙虾、蜘蛛、蜈蚣、昆虫等都属

于节肢动物。可以说，节肢动物门是现存动物中最成功、种类最多

的一门。它所包含的种类，比其他各门加起来还要多。

节肢动物门是环节动物超门中最主要的一门动物。另外一个

超门是棘皮动物超门，它只包含两个重要的门：一个是棘皮动物

第十六章 物 种

第十六章 物 种

门，包括海星、海胆之类的动物。棘皮动物门和其他具有中胚层的

动物的主要区别是，它是辐射对称，没有明确的头尾之分，但它在

胚胎早期仍系两侧对称，到成体时才变成辐射对称。

第二个重要的门——脊索动物门，的确很重要，因为人类也包

括在这一个门里面。

脊椎动物

脊椎动物和其他动物最明显的区别，就是它们有内骨骼（见图

16-1）。除脊椎动物以外，其他任何动物都没有内骨骼。这种内

骨骼还有一特征，就是构成脊柱。事实上，脊柱是非常重要的特

征，所以习惯一般都将动物简单地分为脊椎动物和无脊椎动物。

不过，还有一群过渡型的，就是以一根棒状软骨（一般称为脊索）来

替代脊椎骨的位置（见图

16-2）。脊索最早由

K. 贝尔发现，他也

发现了哺乳类的卵。脊索看起来像是脊椎骨的原始物，甚至在哺乳

类胚胎发育期也有出现，所以就将一些具有脊索的动物和脊椎动物

归并为一类，总称为脊索动物门。这个名字是

1880年由英国动物

学家鲍尔弗所定的。门以下又分为

4个亚门，其中

3个只有脊索，

第四个亚门才真正具有脊椎骨及内骨骼，称为脊椎动物亚门。

现存的脊椎动物分两个超纲，即鱼形超纲（包括所有鱼类）和

四足超纲。

鱼形超纲又分为三个纲：

1. 无颚纲。这个纲的鱼类有真正的骨骼，没有四肢，无上颚，

最熟知的代表是七鳃鳗。这种鱼类口圆形，像吸盘状，可以锉破鱼

皮吸血。

2. 软骨鱼纲。这纲鱼类的骨骼全为软骨，似鲨类是最熟知的

例子。

3. 硬骨鱼纲。

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图 16-1亲缘系统树，表示脊椎动物的进化关系

第十六章 物 种

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图 16-2文昌鱼，一种外形像鱼的原始脊索动物，具有脊索

四足超纲的动物，全部都是用肺呼吸，共有 4个纲。最简单的

纲是两栖纲，如青蛙、蟾蜍都属这个纲。所谓“两栖”是指其幼期

（如蝌蚪）没有四肢，用鳃呼吸，而成长后则变为具有 4条腿及用肺

来呼吸了。两栖类和鱼类一样，都是在水中产卵。

第二个纲是爬行纲，包括蛇、蜥蜴、鳄鱼和鸟龟。这纲的动物

终生用肺呼吸，卵被硬壳包着，并在陆上孵卵。高等的爬行类其心

脏已有 4个腔室，两栖类则有 3个，而鱼类只有 2个。

最后两个纲是鸟纲和哺乳纲。它们都是温血动物，不管外界

的温度如何，其身体内部温度都可以保持恒定（当然，外界温度的

变化也要有合理的范围）。而体内的温度往往比外界高，因此这类

动物需要保暖。鸟类的羽毛和哺乳类的毛发都是为了使皮肤与外

界空气隔开，而起到保暖的作用。鸟类下蛋如同爬行类一样，而哺

乳类则是胎生的，并以乳腺分泌乳汁来供养幼儿。

到了 19世纪，动物学家们听到了一则非常令人难以置信的报

道，澳大利亚人发现一种动物，有毛，有乳腺，会产生乳汁，但没有

乳头，然而它居然还会产卵！当这种动物的标本展示给动物学家

看时（很遗憾是死标本，因为它离开栖所就不容易生存），还以为这

是骗人的东西。这种动物能在水上或陆地生活，外形与鸭子相像，

有喙及蹼，因此就叫它鸭嘴兽。鸭嘴兽最终被承认是真的，因而它

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便成为哺乳动物中的新成员。另外一种卵生哺乳动物——针鼹，

随后也在澳大利亚及新几内亚发现。这些卵生哺乳动物和爬行类

很相近，不仅是卵生，而且也不是完全的温血动物，在冬天，它们的

体温可下降

10℃之多。

哺乳动物现分为

3个亚纲。第一亚纲是卵生哺乳类，叫原哺

乳亚纲，它们的卵在未产出前，其内的胚就已经发育好了，待卵产

出后很快就孵化。第二亚纲是后哺乳亚纲，这个亚纲中有负鼠及

澳洲袋鼠等。刚出生的幼鼠，处在一种发育不全的状况中，因此很

容易死掉，所以它必须在母鼠的育儿袋内吸吮乳汁，直到长大后能

四处活动时为止，这些动物叫做有袋类。

第三亚纲是哺乳类中最高等的真哺乳亚纲，它们的特征是具

有胎盘。胎盘是一种布满血管的组织，由母体供给胎儿营养及氧，

并带走由胎儿产生的废物，这样，胎儿才能在母体内呆较长的时间

（人类为

9个月，象和鲸都是两年）。

真哺乳动物通常是指有胎盘的哺乳动物。

有胎盘的哺乳动物又分为十几个目，举例如下：

食虫目——鼩鼱、鼹鼠等。

翼手目——蝙蝠。

食肉目——猫科、犬科、鼬、熊、海豹等，但人除外。

啮齿目——老鼠、免子、松鼠、天竺鼠、海狸、豪猪等。

贫齿目——树獭（有齿）、犰狳（有齿）、食蚁兽（无齿）等。

偶蹄目——有蹄，每蹄的趾为偶数，如牛、绵羊、山羊、猪、鹿、

羚羊、骆驼、长颈鹿等。

奇蹄目——马、驴、斑马、犀牛、獏等。

长鼻目——当然是象。

齿鲸目——抹香鲸及其他有齿的鲸。

须鲸目——蓝鲸、露脊鲸等，用好像是口腔上长的大粗胡须一

第十六章 物 种

第十六章 物 种

样的鲸骨来滤取海水中的食物。

灵长目——人、猿、猴等。

灵长目的特征是用手（有时也用脚）抓握东西，大拇指、大脚趾

和其他手指或脚趾相对立，手指或脚趾的顶部长有扁平的指甲，而

不是尖锐的爪或被骨质包裹起来的蹄。大脑发达，视觉比嗅觉重

要，此外，还有许多解剖学上的特征，但较不明显。

灵长目分

9个科，其中有些只有极少灵长目的特征，简直很难

相信是灵长目动物，但在分类上确实属于灵长目。例如，树鼩科，

包括食虫的树鼩。另外还有狐猴，是夜行性的，生活在树上，口、鼻

突出如狐狸，外表却像松鼠，主要产于马尔加什岛。

和人类最相近的当然是猴和猿了。猴共有

3科。猴这个字可

能是从拉丁文衍生而来的，是“小人”的意思。

有

2科猴产于美洲，称为新世界猴，它们就是卷尾猴科，例如

在街头卖艺的人玩耍的那种猴子以及狨科中的狨。另一科是旧世

界猴，叫猕猴科，包括各种狒狒。

猿都属同一科，即巨猿科，原产东半球，和猴子外观上最明显

的差别就是体形较大，没有尾巴。猿可分为

4种类型：长臂猿，体

形最小，毛最多，手臂最长，是这个科中最原始的；猩猩稍大，生活

在树林中，很像长臂猿；大猩猩，比人大得多，主要在地面上生活，

原产非洲；黑猩猩，也产于非洲，比人小，是除了人以外最聪明的动

物。

至于人类所属的科，是人科，目前只有

1属

1种。林奈把人种

命名为智人。虽然有些人对这个名字不大满意，但也没有人敢于

更改。

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进 化

经过上面把所有生物简单叙述一遍以后，就使人可以得到这

样一个深刻的印象：生命的发展是一个由简单到复杂的，而且是非

常缓慢的过程。各门动物可以重新排列，加入新的动物；门以下的

各个纲，同样也可以重新排列，或增或减；纲以下的各个目，也是如

此。

各个物种之间也常常混淆不清，好像是刚从共同祖先分支出

来的。有些种的关系很近，甚至在特殊的情况下还可以杂交，例如

马和驴适当交配，可以产出骡子；黄牛和水牛、狮和虎都可以杂交。

另外，还有些所谓的“中间种”，也可以说是两大群动物之间的连结

动物。例如猎豹属猫类，具有一些狗的特征；而鬣狗属犬类，却又

有些猫的特征；鸭嘴兽则好像是刚由爬行类进化到哺乳类不久的

动物。如果再从某些动物的幼年期来看，种和种间的区别就更模

糊不清了，例如，早期的蛙像鱼；而 1825年才发现的一种叫柱头虫

属的原始脊索动物，其幼年期和棘皮动物很相似，当初还曾错把它

作为幼年的棘皮动物呢！

人们甚至可以从人类受精卵的发育过程中，追溯各个门的发

展历程，对这方面的研究称为胚胎学。从现代的观点来看，胚胎学

应是由哈维开始的（他就是发现血液循环的那个人）。1759年德

国生理学家 K. F.沃尔夫用实验证实，卵的变化的确是一个发育

过程，也就是由未特化的原组织逐渐成长为特化的组织，而绝对不

是像以前人们所想象的那样，以为卵内早就存在特化好的雏形，然

后慢慢长大。

第十六章 物 种

第十六章 物 种

发育过程中，卵最先是一个单独的细胞（像原生动物），以后变

成一小群细胞（就像海绵），其中每一个细胞分开之后，可以各自成

长为新个体，同卵双胞胎就是这样形成的。胚胎继续发育，经过两

层细胞的阶段（好像是具两胚层的腔肠动物），然后又生长出第三

层（像棘皮动物），就这样越来越复杂，这种发展顺序和物种由低级

到高级的顺序差不多。人类在胚胎发育过程中，也有一个时期会

出现原始脊索动物的脊索，像鱼类的侧鳃囊，以后又生长出尾巴及

像低级哺乳类一样的体毛。

早期的理论

从亚里士多德起，很多人就曾想过生物可能是彼此进化来的。

由于当时基督教教会掌权，这种想法受到禁止。《圣经·创世记》的

第一章，就明白地记载各种生物都是按照其同类创造出来的，照字

面上来说，物种是不会变的，从一开始就维持各物种的形状。生物

间有很明显的亲缘关系，想当年林奈也会有过这样的念头，不过他

还是坚信物种是不会变的。

尽管上帝创造天地的故事牢牢地占据了人类的头脑，不过面

对化石的证据，这种想法终究只好让步了。早在

1669年，丹麦科

学家斯蒂诺就指出，岩层的底层要比上层古老。由任何合理的化

石形成的速率来看，这种说法越来越被肯定，底层岩层确实要比上

层古老许多。生物化石埋藏的岩层，往往比《圣经》所记载的年代

古老得多。化石也证实了地球的结构经历了巨大的变化。早在公

元前

6世纪，希腊哲学家色诺芬尼就记载山顶上有贝壳化石，并推

想那山顶很久以前是在海底的。

相信圣经故事的人也许会说（其实他们也真的坚持），化石和

以前在地球上生活的生物相似纯系巧合；或者说，那是骗人的魔鬼

所创造的，因此不能相信。另外一个似乎有理的说法，认为化石是

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大洪水时溺死的生物遗骸，因为《圣经》上说洪水曾淹没了所有的

山头。

但是经过认真察看，很多生物的化石和现在生存的种类都不

相同。早期的分类学家雷，曾怀疑化石是代表已绝种的生物。瑞

士的博物学家博内更进了一步，1770年他提出，化石的确是因地

壳大变动死掉而绝种的生物的遗骸，比《圣经》中所记述的大洪水

期早得多。

真正以科学基础奠定化石研究及古生物学基础的人，是英国

土地测量学家

W.史密斯。1791年，当人们挖掘运河时，他发现

凿开的岩石都是分层的，每一层含有特定的化石种类。这样一来，

根据在地层中的位置，可以把化石按时间顺序编排，而且可将每种

化石和代表地质史上某一时期的岩层形态互相对应起来。

约在

1800年，居维叶依照林奈的分类系统进行化石分类，把

比较解剖学引用到古代生物。虽然很多化石所代表的种及属，在

现存的生物中已找不到，但都可以归入到已知的各门动物中，由此

可以组成生物体系表中的一部分。例如，

1801年居维叶研究一种

20年前发现的具有长手指的化石，他推想该骸骨与现存生物完全

不同，具有革质的翅膀，且能飞行，这至少在已确知的生物中没有

和它相像的；根据骨骼的结构，证明它是爬行类，因而把它命名为

翼指龙，和现今的蛇、蜥蜴、鳄鱼和龟有关联。

而且，在越深的地层中发现的化石，就越古老，同时也就越简

单，其发展程度也就越低。不仅如此，有些化石代表了过渡的中间

型生物，可以把现存的两群看来没有亲缘关系的生物连结起来。

有个最令人惊奇的例子是在居维叶死后才发现的一种原始鸟类，

称为始祖鸟。这种鸟现已绝种，它有翅膀，有羽毛，又有像蜥蜴的

尾巴，尾巴外缘长有羽毛，嘴像鸟却又长有爬行类的牙齿。由许多

方面来看，很明显，始祖鸟是介于爬行类及鸟类之间的中间型生物

第十六章 物 种

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（见图 16-3）。

图 16-3 始祖鸟

居维叶一直认为陆地大变动是许多生物绝种的原因，而不是

进化。但是到了 19世纪 30年代，C. 赖尔在他的划时代的著作

《地质学原理》一书中，提出了新的看法，并得到科学界的支持与认

可。如果要合理地解释古生物证据，就必须借助合理的进化理论。

假如动物是由一种进化成另一种，那么引起进化的原因究竟

是什么呢？这一点是解释生物为何有如此多样性的障碍。最先设

法解释这个问题的是法国博物学家拉马克。1809年他出版了《动

物的哲学》一书，书中认为环境引起动物改变，而这种改变又可以

传给后代。拉马克以长颈鹿为例阐明他的观点（长颈鹿是当时很

轰动的新发现），假设有一种类似羚羊的原始动物，以树叶为食，凡

是够得到的树叶都吃光了，只好伸长脖子以取得更多较高的食物；

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这样经常地伸，脖子、舌头及腿就会逐渐地变长；这些发展出来的

特征又传给子代，于是一代比一代长，不断地传下来，经过几代之

后，原始羚羊就进化成长颈鹿了。

拉马克的这种获得性特征遗传的观点，很快就被否定了。例

如长颈鹿怎么会发展出身上的花纹呢？的确很难找到有什么因素

会影响皮毛而使之改变。不仅如此，德国生物学家魏斯曼还抱着

怀疑的态度做了许多实验，他把大白鼠尾巴连续切断了很多代之

后，尾巴并没有变短，仍然和第一代一样长。（犹太人给男子割包

皮，100多代以后，包皮并没有因而皱缩，他要是早想到这一情况，

就不必做实验了。）

早在

1883年魏斯曼就发现，最终会产生精子或卵的生殖细

胞，在胚胎早期就和其他细胞分离开来，并且保持不太专化的状

态。根据这个发现以及大白鼠尾巴的实验，他推导出一个概

念——种质连续说。种质就是组成生殖细胞的原生质，可以独立

存在，而且一直延续好几代，而种质以外的身体的其他部分，好像

是暂时作为种质的居所，每一代都重新建造然后毁掉，种质主宰身

体特征的形成，而其本身却不受身体影响。他的这些想法完全和

拉马克相反，而且也是错误的，虽然总的看来，魏斯曼的观点似乎

比拉马克的观点更接近实际情况。

尽管很多生物学家反对，拉马克的理论仍然延续到了

20世

纪，甚至在苏联还有一段时间曾将此理论复兴起来，那就是李森科

学说（即通过一定的处理方式改变植物的遗传性）。李森科是这一

学说的主要人物，也是斯大林、赫鲁晓夫执政时的要人，直到

1964

年赫鲁晓夫下台之后才失势。环境对简单的生物可能会造成遗传

上的改变，这种观点现代遗传学家并不否认，但是由于基因及遗传

定律的发现，已彻底推翻了拉马克理论。

第十六章 物 种

第十六章 物 种

达尔文学说

英国青年

C. R. 达尔文喜欢艺术和运动，四处闯荡，无所事

事，为了打发无聊的时间，一位船长和一位剑桥大学教授劝他到船

上工作，研究生物。这艘船要以

5年的时间航行世界一周，目的是

研究大陆海岸线，并沿途观察各地的植物区系及动物区系。当时

是

1831年，达尔文

22岁，在这艘名为比格尔号的船上，开始了科

学史上最重要的一次航程。

船由南美洲东岸慢慢下行，绕过南端后折向西岸北上，达尔文

非常用心地收集各种动植物的资料。他的最大的发现是在太平洋

距厄瓜多尔约

1 000公里的加拉帕戈斯群岛上（加拉帕戈斯是西

班牙语“海龟”的意思），船在那里停留了

5个星期。最引起达尔文

注意的是岛上的许多种雀，后人称达尔文雀。这些雀至少可以分

为

14种，它们的差异主要是体形大小及嘴巴形状不同。这些种类

的雀是世界上其他地方没有的，但看上去却和南美洲大陆上的雀

很相近。

该怎样来解释这些雀所具有的特殊性质？这些雀又为何与一

般的雀类不同？它们又怎么会分为彼此不同的十多种？达尔文认

为最合理的假说是，岛上的雀是从大陆型雀繁衍而来，在岛上被长

期隔离而分化，而分化又是因取食方式不同所造成的。有

3种仍

然保留大陆型雀的习性——吃种子，但是各吃不同的种子，刚好是

大、中、小三种大小的种子，两种吃仙人掌，其他多数吃昆虫。

雀的食性及身体上的特征为何会改变呢？这个问题使达尔文

好几年都困惑不解。1838年，他读了马尔萨斯

40年前的一本书

后，才渐渐地对这个答案浮现出一线曙光，那本书是《人口论》。马

尔萨斯主张，人口的增加最后必然超过食物所能供给的程度，因此

最终将通过饥饿、疾病或战争等使人口减少。“生存竞争”就是在

这本书中看到的，后来成为达尔文有名的学说。想到他观察的雀，

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达尔文恍然大悟，原来食物竞争扮演了重要的机制，越有效地争取

到食物，就越有利于生存。起初加拉帕戈斯岛上的雀类不断繁殖，

种子渐渐不够吃了，于是引起竞争，只有比较强壮的雀，或者特别

善于取得种子的雀，或者改吃别的食物的雀才能存活下来。某只

雀碰巧具有稍稍不同的特征，能够吃较硬或较大的种子，甚至吃昆

虫，那它就得到新的食物来源了；同样某个雀也许嘴细长些，可以

够到别的雀吃不到的食物；或者嘴特别大，能吃别的雀没办法吃的

食物，这些雀类就会存活得多些，子代也生得多些，但是它们就变

得与原型的雀不尽相同了。每一种适应型都会找到一个新的、空

的“生态龛”。加拉帕戈斯群岛上原来没有雀类，很多生态龛是空

的，没有竞争者阻挠，因此很容易占有。南美洲大陆上所有的生态

完已全被占满，这种原型雀仅能自顾自，不能繁衍更多的新种。

达尔文认为，每代动物都是由与一般有所不同的个体组成的，

其中也许有的体形大些，有的某个器官稍有变形，有的能干些，有

的笨拙些。这些差异可能很微小，但是只要稍微能较适应环境，则

生命就会长一点，子代也多一些。长久累积下来，差异就和原来的

种越来越大，甚至不能再相互交配，这时新种就形成了。

达尔文称这种过程为自然选择。照他的说法，长颈鹿的脖子

不是因伸展而变长的，而是有些鹿的脖子生下来就比较长，而脖子

越长的鹿获得食物的机会就越多。经过自然选择后，脖子长的就

生存下来。至于身上成块的斑点也很容易用自然选择来解释：阳

光由植物间穿透下来，造成很多光点，身上具斑点的长颈鹿比不具

斑点的容易逃过狮子的注意，生存的机会就大些。

根据达尔文的这种观点，人们很容易了解到为什么种与种、属

与属之间很难有绝对明显的划分。种的进化是连续的过程，而且

需要经历很长的时间，就是现在这一时刻，也必然有很多种动物，

其部分的个体正在缓慢地转变成另一个新种。

第十六章 物 种

第十六章 物 种

达尔文花费了许多年的时间，收集证据和建立他的学说。他

明白，他的学说必然会动摇过去的生物学基础及社会上对人类在

生物中的地位的基本看法，所以他要保证他的立论在各方面都要

站得住脚。他从

1834年起就开始设想这个学说，并汇集资料，那

是在读马尔萨斯的《人口论》之前；

1858年他还在继续撰写关于这

一学说的论著。他的朋友（包括地质学家

C. 赖尔）知道他正在写

这样的书，有几位读过他写的初稿的人，劝他赶快写好，免得被人

抢先。达尔文却不愿意（或许不能）匆匆赶完，于是真的被人抢先

了。

抢先的那个人就是华莱士，比达尔文年轻

14岁，经历和他差

不多，年轻时也曾绕世界一周进行科学探险。他发现东印度群岛

上的动植物，在东西两边的岛屿上完全不同，其间可以画一条清楚

的分界线。例如，从婆罗洲（即现在的加里曼丹）和西里伯斯岛之

间，往南到巴厘岛和龙目岛两小岛之间可以划分开来。这条线现

在仍称做华莱士线。华莱士后来又把地球分为

6个大区，每个区

都各有不同种类的动物，这种区分法，稍加修改之后，目前还在使

用。

东边岛屿及澳大利亚的哺乳动物，很明显地比西边岛屿以及

亚洲的动物较为原始，说得再详细一点就是比世界其他各地的哺

乳类都要原始。这样看来，好像澳大利亚和东方一些岛屿，在很早

以前便由亚洲大陆分开来，那时大陆上只有原始的哺乳类，有胎盘

的哺乳类是后来出现的，而且只有亚洲大陆才有。新西兰恐怕是

更早以前就分开了，因为它连哺乳类都没有，倒是有原始不能飞的

鸟，即存活至今的最有名的无翼鸟。

那么在亚洲大陆上较高级的哺乳动物又是怎样产生的呢？华

莱士自

1855年起，对这个问题就百思不解，后来他也是在

1858年

时偶尔看到马尔萨斯的著作，然后也得到了和达尔文相同的结论。

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思考清楚之后，他马上在两天内写好一篇论文，打算把稿子寄给有

名望的生物学家求教，而他选的这位生物学家就是达尔文。

当达尔文收到这篇稿子时，大为震惊，因为华莱士在稿中所写

的，简直就像是用他自己的话写出自己的想法一样。他立刻把华

莱士的文章呈给其他有名望的科学家看，并提出和华莱士合作，把

他们的共同结论摘要写成一份报告。1858年，两人的报告发表在

《林奈学会杂志》上。

次年，达尔文的书出版了，书的全名是《由自然选择论物种起

源——在生存竞争中，适者生存》。现在简称为《物种起源》。

自达尔文那时起到现在，通过对遗传机制、基因、突变的认识，

进化论得到某些修正和补充。不过，直到

1930年，英国统计学家

及遗传学家费希尔指出，孟德尔的遗传理论为自然选择的进化提

供了必要机制，从此进化论才在现代科学中取得一席之地。

当然，其他方面的科学进展使达尔文的学说不断提高和深化。

有了板块构造学说之后，就可以解释相似的种类在地球上为什么

离得那么远，以及推动进化的力量是什么。而能够详细分析蛋白

质及核酸，就可以追溯分子的进化，也可以由分子的差异程度来判

断生物亲缘关系的远近。

生物的进化经历了几十亿年的复杂过程，对其机制的详细情

况一直存在着争议。本世纪

70年代，有些生物学家如古尔德就提

出间断的进化的观点。他们不认为进化是缓慢、平稳、连续的过

程，而相反地认为大部分过程中都没有什么改变，只是在中间穿插

的几个短暂的时刻中，生物才有明显而突然急速的变化。所谓短

暂的时刻或许是指几十万年，从进化的角度来说，这几十万年也算

是很短的了。

无论如何，还没有哪一位声誉卓著的生物学家怀疑进化的观

念。达尔文的基本观点已是根深蒂固，进化的观念也确实已广泛

第十六章 物 种

第十六章 物 种

应用于各个科学领域——物理学、生物学、社会科学等等。

进化论遭到的反对

达尔文学说一宣布就引起狂澜。首先有很多科学家反对，特

别是英国动物学家欧文。他是化石分类学家居维叶的接班人，在

对抗达尔文学说方面，表现得很不正派。他力促别人卷入这场争

论，而自己却躲在背后，匿名写些反对的文章并自称是权威。

英国博物学家戈斯为求不卷入这两方的争论，就主张地球上

的一切都是由上帝所创造的，化石是上帝要测试人类是否具有坚

定的信仰。但是这种假设上帝在人类身上玩弄幼稚把戏的说法，

对大多数有见识的人来说，比达尔文学说更亵渎上帝。

随着时间的延续，反对进化学说不再那么尖锐了，科学界的反

对浪潮也渐渐平息下来，30年内就几乎销声匿迹了。然而在科学

界以外的争议，却更为长久而激烈。“人类祖先是猿猴”，或者说

“人类是猿猴变的”，这种说法惹怒了绝对相信《圣经》的原教旨主

义者。后来当了英国首相的迪斯累里说过一段尖酸的名言：“摆在

社会大众面前的问题是：人是猿猴还是天使？我赞成人是天使。

”

这时，所有的基督教徒都声援“天使论”，而大肆抨击达尔文。

在这场激烈的争论中，达尔文由于生性使然，自己并没有卷入

激烈的争论，而杰出的生物学家

T. H.赫胥黎却是他得力的卫士。

作为“达尔文的斗犬”，赫胥黎在英国的演讲堂里进行了不懈地争

辩。其中最令人瞩目的一次胜利，就是

1860年和英国国教的主教

威尔伯福斯的一场辩论。威尔伯福斯是一位数学家，以口齿伶俐

善辩著称。

这位主教在博得了听众的心理之后，箭头便指向了他那庄重、

严肃的对手。根据辩论的报道记载，情况是这样的：威尔伯福斯

说：“赫胥黎声称他的祖先是猴子，我想请教，那是不是指他的祖父

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和祖母呢？

”听众哄堂大笑，而赫胥黎却对邻座的人耳语：“他要栽

在我手里了！”然后慢慢起身回答说：“倘若有个人得天独厚，既有

才华又颇具影响，然而却用这些天赋在严肃的科学讨论会上尽提

些荒谬的问题，如果让我在这样的一个人和一只可怜的猴子中间，

选择谁当我的祖先的话，我会毫不迟疑地选择猴子。

”

赫胥黎痛快地反击不仅粉碎了威尔伯福斯的论点，也使那些

原教旨主义者陷入被动。事实上达尔文的论点的确胜利了，所以

到

1882年他去世时，受到广泛的尊崇，被葬在英国伟人墓地威斯

敏斯特教堂内。而且为了纪念他，澳大利亚北部的一个城镇就取

名为达尔文城。

对进化学说的另一位有力的支持者，是英国哲学家斯宾塞，他

使适者生存这句话及进化这个词广为宣扬，达尔文自己倒是很少

用进化一词。斯宾塞想把进化论应用在人类社会的发展上（他被

称为社会学的创始人），然而这个论点是站不住脚的，因为在进化

当中，生物变化与社会变化完全不同。后来有人把他的理论错误

地用在支持战争及种族歧视上，这是斯宾塞当时没有料想到的。

1925年，美国境内爆发了一场反对进化论的争战，反对派在

战场上赢了，但从整个战争来看，却是输了。

田纳西州议会通过一项法令，禁止该州公立学校老师讲授人

类是从较低级的生物进化来的。科学家及一些教育学家为了对这

条法律的合法性提出挑战，就劝使一位年轻的高中生物学教师在

课堂上讲达尔文学说。这位老师名叫斯科普斯，就在课堂上讲了

达尔文学说，于是被指控为违犯法律而被提审，地点是在他教书的

地方——田纳西州达顿市，这次审判引起了全世界的瞩目。

当地居民和法官坚持反对进化论的立场。著名的雄辩家、原

教旨主义者布赖恩，是诉讼检察官之一，他曾

3次竞选总统都失败

了。而斯科普斯的辩护人，则是以著名的刑事律师达罗为首的一

第十六章 物 种

第十六章 物 种

些人。

这场审判就绝大部分而言是令人失望的，因为法官拒绝被告

辩护律师的请求，不准科学家在证人席上为达尔文学说作证，而且

把审判范围局限于斯科普斯有没有讨论进化论。不过案子还是明

朗化了，布赖恩不顾同事的反对，自愿接受被告一方的盘问。在达

罗的盘问下，布赖恩马上露出他对现代科学的发展一无所知，而对

宗教与《圣经》的认识也是非常呆板的，就像一些每逢礼拜天就上

教堂的教徒一样。

斯科普斯被判有罪，罚款

100美元。（这项判决后来被田纳西

州最高法院以技术上的错误为由撤销了。）而在一些有科学见识的

人们眼中，这批教徒及田纳西州政府真是荒谬可笑，因此使得反进

化论者处于守势而退居幕后大约有

50年之久。

但是这股黑暗无知的势力，始终没有完全消除。本世纪

70年

代，反进化论派又以一种新的甚至更为有害的立场重新出现，反对

科学的宇宙观。他们放弃早先逐字解释《圣经》的错误论点，假装

以非常合乎科学的态度出现。他们只含糊地说“造物者”，避免利

用圣经的字眼，然后他们把进化论说成是错误百出、不可能是正确

的，而造物论才是值得相信的。

为了说明进化论是错的，他们胡乱引述，歪曲事实，断章取义，

无所不用其极，根本就违背了《圣经》禁止做假见证的规定。荒谬

的是，尽管找不到有利于“造物论”的任何证据，他们却还是郑重其

事地称其理论为“科学的造物论”。

这派人士要求学校为“科学的造物论”开设同样多的课时，让

学生们学习他们的理论。任何老师或课本在讨论进化论时，一定

也要讨论“科学的造物论”。到目前为止，法庭上的诉讼他们一次

也没有胜利过，但是因为有不懂科学而醉心《圣经》记载的狂热教

徒做后盾，于是就恐吓学校董事会、图书馆、议员等，阻止科学的发

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展。

其结果实在很可悲，造物论者认为地球的历史只有几千年，整

个宇宙也是如此，生物在突然间出现，而且一开始就有这么多种

类。在天文学、物理学、地理学、化学、生物学上看来，都是一派胡

言，很可能造就出一代心智昏庸的美国子弟。

进化学说的证据

造物论者争论的一点是：谁也看不见进化的力量在起作用。

这看来好像是无可反驳的论点，但是他们还是错了。

事实上，如果需要达尔文学说的证据，眼前自然选择的例子就

可以提供。达尔文的故乡就有一个明显的例子。

英格兰有一种蛾，具有深色和浅色的两个变种。在达尔文的

那个时代，树干上布满地衣，颜色并不深，所以浅色蛾较不显眼，这

叫保护色，深色蛾在浅色树干上，容易被捕食昆虫的动物发现而被

吃掉，所以浅色蛾多而深色蛾少。后来随着英格兰越来越工业化，

黑烟污染而使地衣死亡，并使树干颜色加深，浅色蛾变得显眼，被

动物食掉的机会加大，而深色蛾反而受到保护，结果深色蛾的数量

超过了浅色蛾，这就是自然选择的作用。

1925年，英国国会通过法律，决定清除空气污染。因此黑烟

减少，树干上又开始生长地衣，这样浅色蛾的比例马上就增加了。

所有这些变化用进化论都可以预测，而一种成功的理论，就是不仅

能解释目前，也要能预测未来。

第十六章 物 种

第十六章 物 种

进化的过程

古生物学家研究化石记载，把地球史分为一系列连续的代。

19世纪的英国地质学家，如赖尔、塞奇威克及麦奇生等人，完成初

步的构架并给予定名。最早的代，从

6亿年前开始，这时也是最早

发现的化石的年代。当时除了脊索动物门之外，其他各门动物都

已有了。当然，最早的化石并不就代表最早的生物，只有生物的那

些坚硬部分才会石化，所以最早的化石，只能代表那些具有硬壳或

骨骼的生物，这些生物中，即使是最简单、最古老的，也必然是已经

过一段漫长的进化过程，和最初的生命现象比较，仍然是很进步

的。果然，

1965年发现了一种小型贝状生物的遗骸，这大约是

7.2

亿年前生物的遗骸，这个发现支持了上面的假设。

目前古生物学家又有更多的发现，认为简单的单细胞生物必

定比任何具硬壳的生物早得多，这点已找到了支持的证据：由岩石

中发现的细菌和蓝藻的迹象来看，可能超过

10亿年；1965年美国

古生物学家巴洪发现了一些与细菌相似但必须用电子显微镜才能

研究的、极为微细结构的生物化石，其年代大约超过

30亿年。

如果要追溯生命的起源，似乎化学物质从

46亿年前地球形成

之后就开始进化。在

10亿年之内就进化到足可以被认为是生命

的东西。那时大气层中含氧量仍然很少，最古老的生命形式必定

能适应那样的环境，其后代则存活到今天。

1970年，沃斯开始仔细研究那些只能生活在没有游离态氧环

境下的细菌。其中有些能将二氧化碳还原成甲烷，因此就称为甲

烷产生菌。另外有些细菌，则能够进行其他反应产生能量，以维持

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生命，但均和氧无关。沃斯将这些全部归在一起，统称为古细菌，

并且认为最好把它们作为生物中的另一界。

当生命形成之后，大气层的性质便开始慢慢改变了。大约在

25亿年前，蓝藻就已经出现，光合作用逐渐改变了大气层的组成。

大气层由氮

-二氧化碳组合变成氮

-氧组合。大约

10亿年前就可

能有真核生物出现，而当时海中的单细胞生物的种类，可能已有相

当差异，包括当时最复杂的生物——原生动物，已可算作是当时的

生物界之王。

自蓝藻出现后的

20亿年间，大气中氧的含量必定是以极缓慢

的速度增加。目前我们已经了解到，地球形成

10亿年后，氧约占

大气的

1%～2%，这已足以供应当时存在的所有动物细胞所需的

能量，而进化也朝着越来越复杂的方向进行；

6亿年前，复杂的生

物化石便多起来了。

最早发现的较复杂的生物化石属于寒武纪；而在此之前的整

整

40亿年则称为前寒武纪。由于在这段时期内最近发现有生命

的遗迹，故改称为隐生代。其后的

6亿年则称为显生代。

隐生代又可分为两部分，前半部分是始生代，这时单细胞生物

开始出现，后半部分是原生代。

显生代和隐生代之间的界线非常明显，而且都是突然发生的。

例如，在某一时期的化石完全要用显微镜才能看得到，但不久以

后，就有许多不同形式的、复杂的生物化石出现，这种泾渭分明的

现象称为不整合，这很容易使人联想是由大灾难所引起的，不然化

石的出现应该是渐进而连续的；或者很可能是由于地质上的大变

动消灭了当时所有的生物遗迹。

地质年代

显生代粗分为古生代、中生代和新生代。如果用现代地质学

第十六章 物 种

第十六章 物 种

方法来测定，古生代前后历时约

3.5亿年，中生代为

1.5亿年，新

生代则为地球史的近

5千万年。

每个代又分为几个纪。例如，古生代的第一个纪是寒武纪（是

英国威尔士的地名，更确切地说是古时居住在当地的一个部落的

名称，在那里最先挖掘到这一年代的地层），这个时期以介壳类最

进化，是三叶虫及近似现代鲎的原始节肢动物的全盛时代，马蹄蟹

在

2亿年内没有什么进化上的改变，一直保持到今天，所以被称为

现代的活化石。

紧接寒武纪是奥陶纪，是威尔士地区另一古部落的名称。时

间大约是

4.5亿到

5亿年前之间，脊索动物在这个时期首次出现，

那就是小型群居性的笔石，现已绝种，类似现在的玉桂虫，都是半

脊索动物亚门，也是脊索动物门中最原始的亚门。

再次是志留纪（仍系威尔士的古部落名称）和泥盆纪（也是取

自英国的一个地名）。

介于

3.5亿到

4亿年前这段时间内，鱼类在海中占优势，到今

天仍然如此。在这一时间内，生物开始上陆地生活。在整个生命

进化史上，前大半约

5/6的时间，生命完全只局限于水中，陆地则

一片死寂，这实在令人费解，但是事实的确如此。陆地上缺水、温

差大、没有浮力抵消重力，由海中的生物逐渐进化到能适应这些困

难，实在是生物对抗环境的一大胜利。

向陆地迁移的原因，可能是因为食物争夺及海水中空间拥挤。

浅滩处在低潮时会暴露好几小时，故原来没有生物；随着海水中生

物越来越拥挤，为了减少竞争，只好向岸边发展；最后，出现一些突

变的个体，变得可以适应陆地上生活。

首先能上到陆地上生活的是植物，大约在

4亿年前。这类先

锋植物现在已经绝种，而且也是最早的多细胞植物，属于裸蕨类

（此名源自希腊文“光秃”之意，茎上没有叶子，是原始的特征）。随

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后复杂的植物不断发展，到

3.5亿年前，陆地上就遍布森林了。等

植物在陆地上生长后，动物也尾随而来，在数百万年内，陆地上就

出现很多节肢动物、软体动物及昆虫类等。这些先登上陆地的生

物都很小，因为没有内骨骼支撑，体重大一些的动物会被地球引力

吸得挺不起来。在海中有浮力抵消重力，当然不成问题，所以今天

最大的动物也还是生活在海中。陆地生物中，最早具备快速运动

能力的是昆虫，由于它们发展出翅膀，可以减少重力，不像其他动

物只能慢慢地爬。

生物登上陆地之后约

1亿年，才开始有大型的动物进入到陆

地，因为它们有支撑性的内骨骼，不会因重力太大而承受不了。这

批从海里来的新客是硬骨鱼，属于总鳍亚纲。它们当中有一部分

迁移到还不拥挤的海域，例如腔棘鱼，当

1938年科学家发现它们

还活着时，大为惊讶。

鱼类上到陆地最先是为了取得氧。因水中的含氧量降低到无

法生存下去时，那些能够探出头来有效地呼吸空气的鱼，最有利于

生存，因为空气中氧含量极多。若再能储存吸进来的空气，生存的

机会就更大，故在肠道上就进化出可以装空气的囊袋，有的就成了

简单的肺，进化而产生出所谓的有肺鱼，这类鱼目前还有少数几种

生存在非洲与大洋洲，它们生活在不太流动的水中，若是一般的鱼

早就憋死了；甚至在夏季水完全干涸时，它们也能安全度过。有的

鱼即使能忍受海水中氧气的不足，也具有充满气体的气袋，但这不

是供作呼吸之用，而是用来增加浮力的，这表明它们也是从古老的

有肺生物进化而来的。

在有肺的鱼当中，有些进化到能完全离开水生活，其中以具有

强壮的鳍的总鳍鱼类最突出，因为它们在没有水的浮力时，便以鳍

足来支撑身体。到了泥盆纪末期，有些总鳍鱼已可以用粗短的四

肢摇摇晃晃地站在陆地上了。

第十六章 物 种

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紧接泥盆纪之后是石炭纪，这个名字是

C.赖尔定的。他定

这个名字是有原因的。因这段时间（大约

3亿年前）丛林浩瀚，这

时可能是地球史上沼泽森林最茂密的时代，后来森林被埋在地底

而成为煤矿床。这个时期是两栖类的时代，成长后的总鳍鱼已完

全生活在陆地上了。其后是二叠纪，爬行类在此时开始出现，中生

代也是从这时开始；后来爬行类几乎占据了整个地球，所以中生代

也称为爬行动物代。

中生代又分为三个时期——三叠纪（分布三个地层）、侏罗纪

（以法国侏罗山命名）和白垩纪。三叠纪时恐龙大量发生，在白垩

纪时达到高峰，那时，地球上有史以来最大的食肉动物霸王龙四处

横行。

侏罗纪时，早期哺乳动物及鸟类分别由不同的爬行类衍生出

来，但是数量不多，也没有到达鼎盛期。白垩纪末期，所有的恐龙

在不很长的时期内就完全消失了，其他一些不是恐龙的大型爬行

类也是如此，例如，鱼龙类、蛇颈龙类、飞龙类，前两类属海生，后一

类有翅膀。此外，有几类无脊椎动物也跟着消失，如菊石（是现存

鹦鹉螺的近亲），还有很多小型个体的生物也多灭绝了。

据估计，

75%的生物种类在大灾难及白垩纪末期都死光了，而

存活下来的

25%的种类中，大多数也都死了，所以以个体总数来

计算，死亡的占

95%。究竟发生了什么灾难，使地球差点生命绝

迹呢？

1979年，美国古生物学家阿尔瓦雷斯率领研究队伍，设法测

出古代地层的沉积速率，他们在意大利中部沿着岩心，用中子活化

技术探测岩层的金属含量，结果发现，其中有一种金属——铱。奇

怪的是在地层的某一薄层岩石中，铱的含量比紧邻的上下岩层高

出

25倍。

这些铱从哪儿来的呢？是否因为沉积速率忽然大幅增高？或

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者可能是来自地球以外？陨石所含的铱及其他几种金属，比地球

上的丰富，而这一薄层岩石所含的铱及其他几种金属，也和陨石中

的一样丰富。阿尔瓦雷斯怀疑是因为流星撞击，但又找不到碰撞

造成的坑洞。

后来，阿尔瓦雷斯继续调查发现，地球上富含铱的地层有的相

隔很远，但都在相同年代的岩层里。因此，他推想有个巨大的流星

坠落，在强烈撞击下，大量物质喷洒到大气层中，然后再慢慢散落

在整个地球上。

那么这又是什么时候发生的呢？含铱丰富的岩层年代，大概

是在

6 500万年前，那时正好是白垩纪结束之时。很多地质学家

和古生物学家（但并非全部）相信这样的说法：由一个直径长达

10

公里的巨大星体在白垩纪末和地球撞击，形成大灾难，导致许多恐

龙和其他生物一时间大量死亡。

与此类似的撞击很可能是周期性发生的，每次也都造成大灾

难，以白垩纪末的这一次最严重，因而最容易观测到并可以仔细加

以证实。当然，类似的现象将来可能还会发生，因为空间还存在有

许多流星，除非人类发展出特殊能力，能在流星尚未撞击到地球之

前就把它毁灭。确实，现在看来大灾难似乎每隔

2 800万年发生

一次。1984年，科学家们推测，太阳有一颗伴星，每隔

2 800万年

就侵入近日点，使彗星云层分裂并将上百万个碎片散布到太阳系

内部来，有些必然会撞击到地球。

这一撞击会立即把附近地区毁掉，但对整个地球的影响更大，

大量的灰尘会升到平流层，笼罩着大地，使地球陷入漫长的黑夜

中，光合作用也因此而中止了。

1983年，天文学家萨根及生物学家

P. R.埃尔利希曾经指出，

若发生核战争，只要现有核武器的

1/10，就足以引起一场人为的

寒夜，持续之久，可以使人类消灭殆尽，这场浩劫不是人类能承受

第十六章 物 种

第十六章 物 种

得了的。

然而不论是由什么原因导致白垩纪末期爬行类的灭亡，都意

味着新生代哺乳动物代的来临，并且一直延续到今天。

生物化学上的变化

所有生物都是由蛋白质构成的，而各种蛋白质所含的氨基酸

也都相同，这个事实在一定程度上证明了现代生命的统一性。最

近，同样的证据表明，我们和以前的生物之间也具有这种共同的特

性。一门新的科学——古生物化学，开始于本世纪

50年代末期，

当时发现在一些

3亿年前的化石中含有蛋白质的遗迹，其氨基酸

组成和现代的完全相同——甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、谷氨

酸、天门冬氨酸等，没有任何一种和现代的氨基酸有所不同，而且

碳氢化合物、纤维素、脂肪和卟啉，也都和目前的完全一样。

借助目前的生物化学知识，可以推测出一些生物化学上的变

化在动物进化过程中所起的作用。

首先研究含氮废物的排泄。很明显，排泄这些含氮废物的最

简单的方法，就是以氨分子的形式排出。因为氨分子小，容易通过

细胞膜渗透到血液中，而氨的毒性极强，血液中氨浓度只要超过百

万分之一就会致死。这对海水中生活的动物不成问题，因为它可

以经由鳃把氨不断地释放到周围的海水中，但是陆地上生活的动

物就没有这种能力。如果要把不断生成的氨由尿中排出去，那么

动物就会失水而死；所以陆地上的动物所排泄的含氮废物，必须是

毒性较低的尿素。这种尿素物质在血液中浓度高达

1%也不会有

危害。

现在的鱼类所排泄的含氮废物就是氨，蝌蚪也排泄氨。但蝌

蚪到成长为青蛙，便改为排尿素。生物由水生到陆生，这种化学上

的变化和由鳃变为肺是同等重要的。

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当总鳍鱼类登上陆地，慢慢变成两栖类时，这些生物化学上的

变化，应该就已开始。因此，有充分的理由使人们相信，生物化学

上的进化和形态进化占有同样重要的地位。

由两栖类到爬行类，还要经历一段重要的生物化学变化。爬

行类的卵中，水分有限，如果胚胎中也是排尿素，一定会造成卵内

的浓度太高，解决这个问题的方法就是改为生成尿酸，而不是生成

尿素。尿酸是一种嘌呤分子（与细胞核酸中的腺嘌呤和鸟嘌呤相

似），不溶于水，因此可以以小粒晶状析出，这样就不会再进入到细

胞中产生危害了。

成长为成体以后的爬行类，仍旧排尿酸，但没有一般的尿液，

而是以半固体状态由排粪便的出口排出，这单一的开孔称为泄殖

腔。

鸟类和卵生哺乳类的卵，和爬行类相似，仍保留泄殖腔和排尿

酸的机制。事实上，卵生哺乳类也叫做单孔类（分类上也叫做单孔

目），就是这个缘故。

有胎盘的哺乳类的胎儿，可间接和母体的循环系统相连，胎儿

产生的含氮废物很容易被冲淡，因此是以尿素形式转到母体血液

中，由母体的肾脏排出。

成体以后的哺乳类，要大量排出尿液以除去尿素，因此有两个

分开的出口：一个是肛门，排出固体的食物残渣；另一个是尿道

口，专门排尿液。

事实上，所有生命都是有其共通性的，然而种与种之间，还是

存在有分类系统上的、可发现的小变异，由上面所提含氮废物的排

泄，便可略知其一二，而且随着种类间进化关系相差越远，差异也

就越大。

例如，动物的血液能产生抗体，用以抵抗某些外来的蛋白质，

如人类血液中的蛋白质。如果将这种抗血清单独分离出来，会和

第十六章 物 种

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人类的血液凝集，产生剧烈的反应，但是如果和其他种生物的血相

混，就不一定会起作用（谋杀案中常借用此法鉴定血迹是否为人类

的）。有趣的是，能和人血起剧烈反应的抗血清，只会与黑猩猩血

液起微弱的反应；而和鸡血能起强烈反应的抗血清，也只能很轻微

地和鸭血起反应。因此，从抗体的专一性可以指示生物间的亲缘

关系。

由血清试验可显示复杂的蛋白质分子间有些微小的差异，在

亲缘极近的种类之间，差异更小，甚至于其血清反应相同。

本世纪

50年代，生物化学家极力研制能精确分析蛋白质的氨

基酸结构的技术，因而使利用蛋白质结构来分类的方法得以快速

发展。

1965年发表了一份详细研究灵长目的各类型血红素分子的

报告，其中也包括人的血红素。在血红素中有两种肽链：一种为

α

链，在各种灵长目动物中差别极小；另一种为

β链，有较大的差别。

其中有一种灵长目动物的

α链，只有

6个氨基酸和人类的不同，而

β链则有

23个氨基酸和人类不同。根据血红素分子的差异判断，

人类大约在

7 500万年前和其他猿猴分化出来，这时也正是马和

驴的祖先分化出来的时候。

凡是需要呼吸氧的生物——植物、动物和细菌，其细胞内部都

有细胞色素

C，这种细胞色素

C是一种含铁的蛋白质，由

105个左

右的氨基酸组成。分析不同种类的细胞色素

C的分子，发现人类

与恒河猴之间只有

1个氨基酸不同，而人类和袋鼠则有

10个氨基

酸不同，和鲔鱼有

21个不同，和酵母菌则有

40个不同。

借助电子计算机分析，科学家推算出每改变一个氨基酸平均

要经历

700万年的时间。根据这样的估计，可以计算出某一种生

物是在多少时候以前从其他生物中分化出来的。由细胞色素

C

的分子推算，较高等的生物和细菌大约在

25亿年前就分开了（换

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句话说，在那以前，可能有某种生物可以说是所有真核生物的共同

祖先）。同样，

15亿年前植物和动物还有共同的祖先；

10亿年前，

昆虫和脊椎动物的祖先也相同。因此必须了解，进化论不只是在

化石方面站得住脚，在地质学、生物学、生物化学方面也得到广泛

的支持。

进化速率

假使

DNA链上的突变（从而导致氨基酸形式的改变）是由随

机因素决定的话，那么进化速率就可以认为是大致恒定的了。然

而有些时候进化速率似乎特别快，那时就会出现许多新种，这就是

前面提过的间断的进化。或者在地球史上的某些时间内，突变率

特别大，频繁的突变产生出来许多新种，或是使很多原有种类不能

继续活下去（这也可能是新种比原有种更有利于生存，因此在竞争

中把原有种逼上绝路）。

加速突变的环境因素之一是高能辐射，而地球表面在任何时

候都受到来自各方的高能辐射的照射，大气层虽然能吸收掉其中

的大部分，但却抵挡不住宇宙射线。是不是宇宙射线在某些时候

比其他一些时候强呢？

如果用另一种想法解释则又不同了。宇宙射线会受地磁的影

响产生或多或少的偏移，而地球磁场强度也随时会改变，有时甚至

会变为零。希曾在

1966年指出，当地磁强度为零时，地球表面接

受的宇宙射线最多，此时引起突变的速率会突然大增。照这种说

法，这种现象就变得颇为严重了，因为现在地球好像正走向地磁强

度为零的时代！

那么，当地球附近有超新星产生时，又会怎么样呢？超新星若

靠近太阳系，应该会使照射到地表的宇宙射线明显地增加吧？一

些天文学家已经在猜测这种可能性呢！

第十六章 物 种

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人类的起源

17世纪时，爱尔兰的大主教厄谢尔认为，人类起源的确切年

代是公元前

4004年（他当时用的英文字

“man”应该是包括男性和

女性，直到本世纪

60年代女权运动崛起时，对这个字才有所争

议）。

在达尔文之前，很少人敢对《圣经》上关于早期人类历史的解

释提出质疑。《圣经》上最早而合理的确切年代的记载可追溯到扫

罗王朝。扫罗是以色列的第一位国王，一般相信，他于公元前

1025年登基。厄谢尔主教和其他研究《圣经》的学者，由《圣经》年

代表上所叙述的日期回溯，结果认为，人类和宇宙的产生不会超过

几千年。

早期的文明

考证希腊历史学家所记载的人类历史，简直和《圣经》的记载

相当或者还不如《圣经》的记载古老。他们所记载的人类历史始于

公元前

700年，模糊的传说所提到的大约公元前

1200年的特洛伊

战争，乃是超越这个历史核心之外的记载。然而更模糊的传说，则

是弥诺斯国王所统治下的克里特岛上的前希腊文明。除了历史学

家的著作之外，18世纪以前人们对古代人类日常生活的情况一无

所知。公元

79年，因为维苏威火山爆发而埋没于地底的庞培城及

赫尔库拉尼姆城，在公元

1738年的时候，被挖掘出来。这是历史

学家们首次知道可以借助挖掘而发现某些东西，考古学也就因此

而得以发展。

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19世纪初期，考古学家开始片断地目睹了希腊及希伯来历史

学家所叙述的人类文明。

1799年，当波拿巴将军侵略埃及的时

候，军队中有一位名叫布萨德的军官，在尼罗河出口之一的罗塞塔

城，发现了一块碑石。这块用黑色玄武岩厚石做成的碑石，上面刻

有用

3种文字书写的碑文，第一种是希腊文字，第二种是埃及古老

的象形文字（当时认为是神的文字），第三种则是简化的古埃及通

俗文字。

用希腊文书写的碑文，是在托勒密五世统治期间的一条例行

法令，时间相当于公元前

196年

3月

27日。很明显，碑石上其他

两种文字一定是同一法令的译文（比较现代的公共场所，尤其是机

场，禁止吸烟的标志以及其他官方注意事项，经常是以三种文字书

写的）。这使考古学家们大为兴奋，因为使他们最后找到一个“对

照译本”，可以去翻译原先无法解读的埃及文字。一位早期建立光

波理论的学者

T.杨，企图以“破译密码”的方法，完全地解译罗塞

塔石。

T.杨做了非常重要的工作，但他却落在一位研究古物的法

国人商博良的后面。商博良大胆地猜测，某些埃及基督教派仍然

熟悉的文字——哥普特语，能够作为研究古埃及语言的向导。在

公元

1821年以前，他解译出了象形文字以及民用文字，并且创造

了一个方法，可阅读从古埃及废墟中发现的所有碑文。

后来一项几乎是同样的发现，解读了古代美索不达尼亚平原

上那些无法翻译的作品。一些学者们在伊朗西部比希斯顿村废墟

附近的高耸断崖上，发现了一块碑文。这块碑文是在大约公元前

520年，波斯王大流士一世下令雕刻的，内容是公布大流士一世打

败一位篡权者后登上王位的事件。他为了让每个人都能够阅读这

段历史，便以三种文字雕刻：波斯文、苏美尔文及巴比伦文。苏美

尔及巴比伦文字始源于公元前

3100年，是人们拿着针笔在黏土上

刻画出来的绘画文字；这些文字已发展成楔形文字，到公元

1世纪

第十六章 物 种

第十六章 物 种

时仍被使用着。

一位英国军官罗林森爬上这个断崖，抄写下整个碑文，然后以

地区性方言作为指导，经过了

10年的努力，终于在公元

1846年之

前完成了整个的翻译工作。这个楔形文字的翻译工作，使得底格

里斯河与幼发拉底河之间的古代文明史迹，不再是神秘而不可理

解的了。

为了寻找古代文明所留下的碑石及遗迹，远征队一次又一次

地前往埃及和美索不达尼亚平原探险。1854年，一位土耳其学者

萨姆，在已荒废的亚述古国首都尼尼微，发现了一本碑石藏书的遗

迹，这本藏书大约在公元前

650年，曾被亚述最后一位伟大的国王

亚述巴尼拔所收藏。

1837年，英国的亚述专家

G.史密斯发现这

块碑石上写着有关洪水的传说，这个传说与诺亚方舟

①的故事极

为相似。假如犹太人在亚述巴尼拔死后

1世纪，即尼布甲尼撒时

代，成为巴比伦的囚犯，并同时相信洪水的传说，那么，《创世记》中

第一部分的大多数记载，很明显是由巴比伦传说而来。1877年，

一位法国远征探险家去伊拉克探险，发掘了巴比伦文化前的文化

遗迹，即前面所提过的苏美尔文化。这项发现使这个区域的历史

可追溯到早期埃及时代。1921年，沿着印度河河谷，就是现在的

巴基斯坦，也发现了完全意料之外的文化遗迹。这个文化在公元

前

2500～2000年间曾大放异彩。

然而，埃及和美索不达尼亚文明与希腊文明，并没有紧密的关

联，因为在现代西方文化的起源上，曾有过戏剧性的发现。也许，

在考古学的历史上，1873年是最令人兴奋的时刻，这时有一位德

国杂货商的小孩，找到了所有传说中最负盛名的一个城市。

这个小孩名叫谢里曼，是一个小荷马迷。虽然大部分的历史

①诺亚方舟的故事记载在《旧约·创世记》第

6章及第

7章。——译注

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学家将《伊利亚特》史诗当作神话，但谢里曼却一直梦想着生活在

特洛伊战争的时代，他下决心寻找特洛伊城，并且以其超乎常人的

努力，使自己由一个杂货商的小孩成为百万富翁，因此他便有了足

够的经费来从事这项探索工作。1868年，46岁的谢里曼踏上了旅

程。他说服了土耳其政府准许他在小亚细亚进行挖掘工作，而他

所根据的仅是荷马故事中所提供的极为贫乏的地理线索，最后他

决定要在靠近希萨里克村庄的一个土墩处展开挖掘，并威逼当地

的居民帮助挖掘。他以完全业余的、非科学的、破坏性的挖掘方

式，挖出一系列埋在地底下的古城。最后，他终于发现了特洛伊

城，至少他宣称这个城市是特洛伊城。事实上，目前已知这个废墟

比特洛伊城古老得多，但谢里曼已经证明，荷马所叙述的传说，并

不仅仅是传说而已。

谢里曼并不因为他的胜利而骄傲，他继续前往希腊本土，开始

在美锡尼一处荒废的村庄中进行挖掘工作。这个村庄是荷马传说

中曾经提过的特洛伊战争时希腊总司令阿伽门农的要塞城市。结

果，谢里曼又有了令人惊异的发现：他找到了一个有着巨大墙垣的

城市废墟。我们现在已经知道这个城市存在于公元前

1500年。

谢里曼的成就鼓舞了英国考古学家伊文思，他开始在克里特

岛上进行挖掘工作。在希腊传说中，克里特岛是弥诺斯王统治期

间具有早期文明的代表性所在地。在

19世纪

90年代，伊文思勘

察了这个岛，并且揭示了一个光辉灿烂而又绚丽多彩的弥诺斯文

明，这个文明比荷马的时代早了许多世纪。克里特岛上也发现了

书写文字的碑石。它们是以两种不同的文字书写的，其中之一称

为线状

B字形。一位年轻的英国建筑师维斯特里斯，借着纯熟的

密码技术及语言分析能力，终于在

20世纪

50年代把它翻译出来，

并且证明它是希腊文字的一种。

后来陆续发现的其他早期文明，例如在小亚细亚境内的希泰

第十六章 物 种

第十六章 物 种

及米塔尼文明，以及印度境内的印度文明等等，都相对地表现出希

腊历史学家希罗多德和希伯来的《旧约》中所记载的历史，是代表

着人类文明中比较先进的阶段。最早的城市至少也有几千年的历

史，而那些过着较不文明生活的史前人类，必定可以再向前追溯几

千年。

石器时代

人类学家们认为，将文化历史区分为三个重要的时期是非常

合适的。这三个时期就是：石器时代、青铜器时代和铁器时代。这

种分法是由罗马诗人兼哲学家卢克莱修首先提出来的，到

1834年

时，丹麦的古生物学家

C. J. 汤姆森，把它引用到现代科学之中。

在石器时代以前，可能还有一个骨器时代，这是因为当时的人类对

坚硬的石头尚无法加工使用，因此动物的角、尖刀样的牙齿以及棍

棒状的大腿骨，便供当时人类在许多方面的利用了。

当然，青铜器时代和铁器时代是较近的时代。在文字出现前

的那段时期，我们先讲一下石器时代。文明（由拉丁语“城市”而

来）可能是公元前

8000年左右才产生的，那时人类首先由狩猎转

变为农业，学习驯养动物，发明陶器及新型工具，而且开始发展永

久性社会团体和安定的生活方式。因为从这个转变时期所留下来

的遗物，可以以新型石具与旧型古具来区分，所以这段时期被称为

新石器时代。当时人们制造石具的方法较为新式也较进步；虽然

这把《圣经》上所记述的创世时间提前了好多，但人类在那段时期，

确实已是相当古老了。

新石器的革命似乎是开始于近东地带，即在欧洲、亚洲及非洲

的交叉口上（这里是青铜器及石器时代的发源地）。新石器的革命

慢慢地由近东扩展到世界的其他地区，一直到公元前

3000年才到

达西欧及印度，公元前

2000年才到达北欧和东亚，到公元前约

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1000年或更晚才到达非洲中部及日本。非洲南部及澳大利亚则

一直到

18～19世纪才脱离旧石器时代。虽然早在公元

1世纪，在

中美洲和秘鲁曾形成一个也许是由马雅人创始的高度文明，但当

欧洲人于

16世纪到达美洲时，大部分美洲人仍然过着狩猎生活。

有关人类在新石器时代以前的文化证据，到

18世纪末才在欧

洲开始出现。1797年，一位英国人弗里尔在索夫克挖掘出一些简

陋的打火工具，这些工具像是新石器时代的人类所制造的很原始

的工具。它们是在地底下

4米深处被发现的，如果以正常的沉积

速率来估算，它们的年代应该是相当久远的。与这些工具埋在同

一地层的，有些是已经绝种的动物的骨骼。值得注意的是，

19世

纪时，有两位法国考古学家布歇·德·彼尔特和拉尔泰，发现了更多

象征是远古人类的遗物。例如

E. A. 拉特发现一颗长毛象的牙

齿，而且在这颗牙齿上，刻画有长毛象的美妙图案，所以很明显，这

些图案是模仿活生生的长毛象而描绘出来的。长毛象是一种多毛

种的象，它在新石器时代之前，便已在地球上绝迹了。

考古学家们努力搜寻那些早期的石具。他们发现，这些石具

可以归属于两种时代，一种是比较短期的中石器时代，一种是比较

长期的旧石器时代。旧石器时代又可分为早、中、晚期。而最早的

旧石器时代，似乎可追溯到

100万年以前。

究竟旧石器时代的工具是由什么动物做成的呢？结果证明是

旧石器时代的人类。因为至少在旧石器时代的晚期，人类比一般

狩猎动物要进化得多。1879年，一位西班牙贵族绍图奥拉，探察

了几年前发现的洞穴，这些位于西班牙北部桑坦德市附近的阿尔

塔米拉的洞穴，自从史前时代就已被滑石封锁住了。当他挖掘到

一个洞穴的底部时，跟在他身后的

5岁大女儿突然大喊：公牛！公

牛！他继续寻找，然后在这个洞穴的墙上，发现了许多不同动物的

图案，这些图案有鲜明的色彩以及活泼的细节。

第十六章 物 种

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人类学家们难于相信原始的人类能够描绘出如此复杂且经过

润色的图画，但一些画中的动物，的确是已经绝种的生物。法国考

古学家步日耶，在法国南部的洞穴中，也同样发现了类似的艺术作

品。所有这些证据，最后都促使考古学家们同意步日耶坚定而正

确的见解，推断这些艺术家们一定是旧石器时代晚期的人类，大约

是在公元前 1万年左右。

对于旧石器时代人类的体形外表，我们已略知一二。 1868

年，一群开凿铁路路基的工人，在法国南部克罗马努洞穴中，发现

了 5具人类的骸骨，这些骨骼毫无疑问是属于智人，然而其中一部

图 16-4四种重新组合的头盖骨：（A）东非猿人 （B）直立猿人

（C）尼安德特人 （D）克罗马努人

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分以及其他地方发现的类似骨骼，根据地质学上的证据，表明似乎

已有

3.5万～4万年的历史。他们称当时的人为克罗马努人（图

16-4）。克罗马努人的平均身高要比现代人高一些，且有一颗大

脑袋。艺术家们将他们描绘成英俊结实的模样，看起来很具现代

感，似乎能够和现代人进行交配。

追溯远久以前的人类，可发现他们与现在在地球上广泛分布

的人类品种并不相同。约在公元前

2万年左右，人类还只局限在

非洲、亚洲和欧洲这些广阔的地区。后来，人类的狩猎地带开始穿

越狭窄的海洋通道，进入到美洲、印度尼西亚和澳大利亚。一直到

公元前

400年，勇敢的波里尼西亚航海家，在没有罗盘引路的情况

下，穿越广阔的太平洋，而且仅仅以他们的小木舟，在太平洋的群

岛上开拓殖民地。最后，一直到

20世纪，第一个人类的足迹才踏

上南极大陆。

如果要追溯某个时期只局限在地球部分土地上的史前人类的

种种情况，就必须要有某些计时的方法，至少也要有粗略的计时方

法作为依据。

例如，考古学家们曾经利用年轮来达到这个目的。这个方法

叫做树木年代学，是

1914年由美国天文学家道格拉斯所介绍的。

年轮在湿润的夏季中，由于长出很多新木材，因此它们的间隔就比

较宽；如果是干燥的夏季，它们的间隔就比较窄些。年轮经过一世

纪又一世纪的生长，仍然非常明显。原始人类所建住所的一块木

头，如果它的年轮形式与我们想象中某一个时代的木头相配合，那

么这个原始住所的年代便可以知道了。

一个与此相类似的方法也可应用于沉积岩层或纹泥。在斯堪

的纳维亚那样的地方，每逢夏天冰川溶解都会产生明显的纹泥。

如果是较温暖的夏天，产生的纹泥层就比较厚，而较凉爽的夏天，

产生的纹泥层就比较薄，而且纹泥的花纹也有明显的差异。用这

第十六章 物 种

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种方法研究瑞典的历史，可以追溯到

18 000年以前。

一项更为令人惊奇的技术，在

1946年被一位美国化学家利比

研制出来。利比的工作来源于

1939年美国物理学家科夫的发现：

宇宙射线对大气的冲击会产生中子。氮原子会与这些中子反应，

而在每

10个反应中，有

9个反应能产生放射性碳-14原子（

14C），

第

10个反应则产生放射性氢-3原子（

3H）。

结果，大气中总是含有少量的

14C原子（及更少量的

3H原子）。

利比解释说，由于宇宙射线的缘故，大气中所产生的放射性

14C原

子，会以二氧化碳的形式，进入到所有的活组织中；首先是被植物

吸收，然后辗转进入到动物体内。只要动物或植物仍活着，它们就

能继续吸收放射性碳，而且在其本身组织内维持一定的水平。一

旦有机体死亡，便不再吸收碳，这时组织内的放射性碳便逐渐减

少，而其分解的过程是以半衰期为

5 600年的速率进行的。因此，

任何一块古代遗留下来的骨头，任何一段古代的木炭，或者任何种

类的有机物遗迹，都能通过测量剩余放射性碳的含量，而得知它们

的年代。这个方法，可以合理而正确地测量到

3万年以前的遗物，

而这段时期，正好是前面所说过的从克罗马努人时代开始到古代

文明的历史。因为发展了这种考古测量学的技术，利比于

1960年

获得了诺贝尔化学奖。

克罗马努人并不是考古学家们挖掘出来的第一种早期人类。

1857年，一位挖掘者在德国莱茵河腹地的尼安德特河谷，找到了

部分头盖骨以及一些长骨，这些骨头看上去基本上是人类的骨头，

但仅仅是原始人类的骨头。由头盖骨来看，这种人类有陡峭倾斜

的前额和非常厚重的眉梁。一些考古学家认为，这些头盖骨是一

位曾因患病而使骨头变形的人类遗骸；但是，几年以后，其他类似

的骨头陆续被发现，而一幅详细的尼安德特人的图像也被画了出

来。尼安德特人是一种短小、背部佝偻的两足动物，男性平均略高

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于

150厘米，女性则较矮。这种头盖骨所形成的空间，足够容纳与

现代人相同的大脑和小脑（图

16-4）。人类学艺术家把尼安德特

人描绘成圆筒胸部、多毛、浓眉、无下巴及表情粗鲁的模样；这幅画

是由法国古生物学家布尔在

1911年时画出来的；布尔是第一位几

乎完整地描绘出尼安德特人的专家。布尔所描绘的骨骼，经由现

代的科学方法检定，显示出有严重的关节炎。一副正常的骨骼会

使我们联想到更多的人类形象。事实上，如果一位尼安德特人把

胡子刮干净，剪短头发，而且穿上合身的衣服，那么，他走在纽约第

五大街上时，可能不会引起任何注视的目光。

尼安德特人的踪迹不只在欧洲才有，以后在北非、苏联的西伯

利亚，巴勒斯坦和伊拉克等地也都有发现。大约有

100种不同的

骨骼，分布在

40个不同的地区，而这种人类可能是生活在

3万年

以前。与尼安德特人的遗骸相类似的罗得西亚人和梭罗人的遗

骸，在分隔很远的地方被发现了。罗得西亚人是

1921年在非洲南

部的北罗得西亚（现在的赞比亚）挖掘出来的；而梭罗人则是

1931

年在爪哇的梭罗河两岸发现的。他们被认为是人属的不同种类，

其学名分别是

Homo neanderthalensis（尼安德特人）、Homo rhodesiensis（

罗得西亚人）及

Homo solensis（梭罗人）。但是一些人类学

家及进化论者主张，上述这三种人类，应该和智人归于同一个种，

而把他们作为变种或亚种。我们称为智人的那些人类，与尼安德

特人是同一时期的，而且人们也曾发现介于这两者之间的中间型

遗骸，表明此二者之间可能相互交配过。假如尼安德特人以及他

们的堂表亲们，能够归属到智人，那么，智人可能已有

25万年的历

史了。

第十六章 物 种

第十六章 物 种

原始人类

达尔文的《物种起源》一书，促使现代的科学家们对于亚人类的

祖先，展开广泛的探索。亚人类的祖先介于我们人类以及假想的类

人猿的祖先之间，被新闻界称之为“失落的环节”。对于这项探索，

必然会碰到许多困难。灵长类动物是相当聪明的，他们极少会被陷

阱捉住而形成化石。据估计，若是漫无目的地去搜索灵长类动物的

骨骼，那么可能发现这些骨骼的概率仅为万亿分之一而已。

19世纪

80年代，一位荷兰的古生物学家迪布瓦认为，可能在

东印度群岛（现在的印度尼西亚）发现人类的祖先，因为东印度群

岛现在仍有许多类人猿活跃着（而且因为这些群岛以前曾属于荷

兰的殖民地，当时他可以方便地进行工作）。令人奇怪的是，迪布

瓦在群岛中较大的一个岛——爪哇岛上，发掘出介于类人猿与人

类之间的一种动物。经过

3年的探索，他找到一个头盖骨的顶部，

它比类人猿的大而比人的小。第四年，他又找到了一个类似中间

型的大腿骨。迪布瓦把它称为爪哇人，学名是

Pithecanthropus

erectus（又称直立猿人，也称爪哇直立猿人，图

16-4）。半个世纪

以后，大约是

20世纪

30年代，又有一位荷兰人凯尼格斯沃尔德，

发现更多爪哇人的骨头，这些骨头可组合还原成一个小脑、浓眉的

动物，与尼安德特人有隐约的相似。

与此同时，还有其他挖掘者在靠近北京的周口店洞穴中，找到

了原始人类的头盖骨、颚骨及牙齿。这类原始人类称为北京人。

据说这些东西早就被发现过，大都被送进中药店里当作药材用。

第一个完整的北京人头盖骨

①在

1929年的

12月被陈列出来。这

种北京人与爪哇人是非常相似的。北京人大概是生活在

50万年

①北京人的第一个头盖骨是中国古生物学家、地质学家裴文中先生于

1929年发

现鉴定的。——译注

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以前，会用火，而且拥有骨具和石具。后来考古学家陆续汇集了

45个北京人的骨骼；但在

1941年，由于日本侵略者企图拿走这些

化石，而使得它们消失踪迹。1949年，中国考古学家重新挖掘，找

到

40个北京人的骨骼碎片，包括男、女两性的及各种年龄的。

北京人（也有人称北京猿人）的学名是

Sinanthropus

pekinensis，但更深入探查这些小脑型的原始人类，就会发现将北

京人与爪哇人分别类属于两个不同的属是行不通的。德国血统的

美国生物学家迈尔认为，把北京人与爪哇人和现代智人分在不同

的属是错误的，所以他们现在被认为是直立猿人的两个变种。直

立猿人的最早成员，大约生活在

70万年以前。

在爪哇岛上还发现有另一种小头颅的原始人类，但是如果说

人类起源地就在爪哇岛，则是不可能的。早期北京人所在的广大

亚洲陆地，曾有一时期被认为是人类的诞生地，但是随着

20世纪

的前进，人们把注意力更坚定地集中在非洲地区。因为非洲是灵

长类动物最多的大陆，特别是高等灵长类动物。

英国科学家达特及布罗姆，在非洲获得了重大的发现。

1924

年的春天，在非洲南部坦斯附近的石灰石采石场进行爆破的工人，

捡到了一小块头盖骨，看起来像人类的头盖骨。他们将这块头盖

骨送给在约翰内斯堡工作的解剖学家达特，达特立刻鉴定出这是

介于人类及类人猿之间的一种动物，并将它命名为

Australopithecus

africanus（南方猿人）。当他宣布这项发现的报告在伦敦公开

时，人类学家们认为他犯了大错，误将猩猩当作类人猿。但是，长

期以来一直认为人类是起源于非洲的热心的化石搜索家布罗姆，

急忙跑到约翰内斯堡的达特那里，并且宣称南方猿人是最接近人

类与类人猿之间的“失落的环节”。

在以后的几十年中，达特、布罗姆以及其他一些人类学家，找

到了更多南方猿人的骨骼及牙齿，以及他们用来猎取动物的棍棒、

第十六章 物 种

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被他们杀死的动物骨骼和他们曾经居住过的洞穴。南方猿人矮

小、头颅小、有一个大鼻子的脸孔，在许多方面看来，都比爪哇人更

不像人类。但南方猿人比直立猿人具有更多类似人类的眉毛及牙

齿，而且也会直立行走，会使用器具，可能还有原始的说话形式。

简单来说，南方猿人是至少有

50万年历史的原始人类的一个非洲

变种，比直立猿人更为原始。

起初，原始人类的亚洲和非洲变种之间，谁先谁后，并没有明

显的分界线。但在肯尼亚出生的英国人

L. S. B. 利基和他的夫人

玛丽共同研究指出，非洲变种绝对地比亚洲变种更早出现。

L. S. B. 利基以无比的毅力和耐心，研究出在非洲东部有可能出现

早期人类化石的地区是奥尔杜韦峡谷，就是现在的坦桑尼亚。

1959年

7月

17日，玛丽在这个地方找到了一个头盖骨的碎片，完

成了她长达四分之一世纪的搜寻。当把这些碎片重新组合时，形

成了一种尚未被发现过的小头颅原始人类。根据各项特征，表明

这种原始人类比类人猿更接近人类，因为他们会直立行走，而且在

遗骸四周围绕有许多由小鹅卵石制成的工具。利基夫妇将他们所

发现的原始人类称为东非猿人（图

16-4）。

东非猿人似乎不是现代人的直系祖先，一些已有

200万年历

史的古老化石可以作证。这些

200万年历史的人类称为灵活人

（Homo habilis），他们高约

137厘米，有双手，还有较灵活的大拇指

（所以他们被称为灵活人），他们在这方面完全与人类相像。

1977年，美国考古学家约翰逊，发现了一个也许已有

400万

年历史的原始人类的化石。后来又发现了不少的骨头，刚好可以

组成一个完整个体的

40%左右。他是一种矮小的原始人类，骨架

细瘦，大约

107厘米高，称为阿法南猿，学名为

Australopithecus

afarensis，但他还有一个较为人们熟知的名称露西。

关于露西最有趣的一项事实是，他已和我们现代人一样，是不

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折不扣的两足动物。区分原始人类与类人猿的第一个重要的解剖

学的特征，就是两足的发展情况，尤其在原始人类的头颅大小与黑

猩猩无多大差别时，这一点更加重要。事实上，有人主张原始人类

之所以能够进化为两足动物，乃是因为在最后的

100万年前，原始

人类的头颅忽然明显地膨大。从此，人类的前肢可自由活动，形成

灵巧的双手，用来感受与利用不同的物品，而脑中广博的知识也使

得生存的机会大增。这里所说的机会，是指经由自然选择的过程

之后所遗留的存活概率。

露西可能是原始人类系统中两个旁支的共同祖先。其中之一

是南方猿人，他们的脑容量为

450～650立方厘米，而且在

100万

年前就已经绝种了；另外一种是古老的原始人类，他们是人属的成

员，由灵活人到直立人（脑容量约为

800～1 100立方厘米），而最

后是智人（脑容量大约为

1 200～1 600立方厘米）。

除了露西之外，我们还找到一些动物的化石，然而它们却更为

原始，不可能称之为原始人类。我们考据原始人类的共同祖先可

能就是露西。原始人类现仍存在的有：人、类人猿、黑猩猩、大猩猩

和一些长臂猿品种。

本世纪

30年代初期，刘易斯在印度北部发现了拉马猿的上颚

骨。这块上颚骨比其他除了人类之外的灵长类动物的上颚骨，更

接近人类；它大概已有

300万年的历史。1962年，利基发现了一

个经过杂交的品种，以放射性示踪的方法追踪，可知其有

1 400万

年的历史。

辟尔唐人

人类学家曾长期被一种化石所迷惑，这种奇异的化石看起来

像是介于人类与类人猿之间的“失落的环节”，但难以令人信服。

1911年，英国苏塞克斯郡辟尔唐附近的筑路工人，在碎石场上找

第十六章 物 种

第十六章 物 种

到了一块古老又残破不堪的头盖骨。这块头盖骨吸引了一位律师

道森的注意，他把这块头盖骨交给一位在英国博物馆工作的古生

物学家

A. S. 伍德沃德。这块头盖骨的眉梁又高又细，看起来较

尼安德特人更现代。道森和

A. S. 伍德沃德前往碎石坑，去寻找

其他部分的骨骼。有一天，道森当着

A. S. 伍德沃德的面，无意中

在当初工人发现头盖骨碎片的地方，找到了一块颚骨。这块颚骨

与其他碎片的颜色一样是红棕色的，因此可表明这些骨头是来自

同一个头部的。但这块颚骨却与人类的不同，反而像是类人猿的

颚骨。同样奇怪的是，这块颗骨中的牙齿，虽然长得像类人猿用来

磨碎东西的牙齿，但是实际的用途，则像现代人类一样，是用来咀

嚼的。

A. S. 伍德沃德认为，这种一半像是类人猿，一半又像是人的

动物，可能具有发育较完全的脑和萎缩的颚部。他将这个发现公

诸于世，并称为辟尔唐人，其学名为

Eoanthropus dawsoni。

人类学家们在包括这块颚骨在内的其他化石中发现，他们的

颚骨与头盖骨是同时生长的，由于这些事实，就使得辟尔唐人变得

更异乎寻常。最后，到本世纪

50年代初期，三位英国科学家奥克

利、W. L. G.克拉克和维纳决定进一步探个究竟。结果发现那是

一个骗局。因为这个头盖骨是属于现代类人猿的头盖骨，是被其

他人故意放置在那儿的。

辟尔唐人的故事，可能是最著名、最令人困窘的例子了。科学

家们竟被如此的恶作剧愚弄了很长的一段时间。以现在的眼光来

看，科学家们被如此笨拙的玩笑所愚弄，实在令人惊奇，然而事后

再来认识已没有什么价值。但是必须记住，在

1911年时，对于原

始人类的进化，人们知道的非常少，而今天，一些类似的恶作剧，却

仍然可以愚弄那些无见识的科学家。

另外一个关于灵长类动物的不完整故事，却有一个令人愉快

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的结局。1935年，凯尼格斯沃尔德在香港的一家中药房中，发现

正在出售一块巨大而且像人类化石的牙齿，这个中药师认为那是

“龙齿”，具有很高的医疗价值。于是凯尼格斯沃尔德在第二次世

界大战之前，遍访了其他的中药师，而且找到了

4颗类似的臼齿。

从这个牙齿与人的牙齿相似的情况来看，他们可能是有

270

多厘米高的巨大人类，而且是曾经一度自由自在地生活在这个地

球上。这项理论有被接受的趋势，因为也许正如《圣经》上所说：

“那时候有伟人在地上。”《创世记》第

6章第

4节）。

从

1965年到

1968年间，又陆续发现了

4块颚骨，而且与前面

提过的牙齿也正好相嵌合。巨型猿是现在所知的最大型的灵长类

动物，但是很明显，它是一个类人猿，而不是原始人类，尽管它有看

起来与人类相似的牙齿。它与大猩猩非常相似，直立站起来有

270厘米高，体重有

270多公斤。它可能与直立猿人是同一时期

的，而且饮食习惯相同。当然，它在至少

100万年以前，便已绝种，

而且不可能对《圣经》上的记载负什么责任。

种族差别

人类进化的结果产生了现存惟一的种，这是值得重视的；也就

是说，在好几种原始人类中，仅仅有一种存活下来。所有的人，男

人和女人，不管其外表如何差异，都是同种的人，学名都是

Homo

sapiens（智人），而黑人与白人之间的差别，也只是像马匹的颜色不

同一样。

自从出现文明以来，人类对于种族间的差别，都曾有或多或少

的敏感。他们经常以情绪来对待其他种族，这些情绪包括由好奇、

屈辱到忿恨等等。现代白人与黑人之间的冲突，正是由于少数存

有种族差别观念的人们所引起的持久性悲剧。白人通常被认为是

属于高加索人（这个名称是德国人类学家布鲁门巴哈

1775年首先

第十六章 物 种

第十六章 物 种

使用的。他有一种错误感觉，认为高加索地方有最完美的人类代

表。布鲁门巴哈也把埃塞俄比亚的黑人和东亚的人种，归属于蒙

古人，这个名称至今偶尔仍有人使用）。

白色人种与黑色人种之间的冲突，也可以说是高加索人与埃

塞俄比亚人之间的冲突，这种冲突在

15世纪时，达到最高峰。因

为当时葡萄牙远征军到达非洲西岸，抢走当地黑人，把他们当作奴

隶贩卖，形成了一种赚钱的行业。由于这个行业日益发展，一些国

家把经济建立在奴隶劳工的基础上，所以便以《圣经》、社会道德、

甚至于科学的名义来说明奴役黑人是合理的。

根据拥有奴隶的奴隶主对《圣经》的解释（至今仍有许多人相

信），黑人是含

①的后裔。照这样看来，完全应验了诺亚的咒语：

“迦南当受诅咒，必给他弟兄作奴仆的奴仆。

”《创世记》第

9章第

25节）。事实上，这个咒语指的是含的儿子迦南和他的后裔迦南

人。迦南人在迦南统治的末期，被以色列人贬为奴隶。这是《圣

经》的希伯来作家，为了辩护迦南人被奴役的事实所写的，而无疑

这段圣经正是对这项事实的诠释。但无论如何，这个事件的重点

在于迦南人的的确确是白种人。而拥有奴隶者却歪曲了圣经的解

释，虽然经过几个世纪之后仍有深远的影响，但他们的用意却只是

为镇压黑人所做的辩护而已。

近代的所谓“科学的”种族差别论者，已逐渐站不住脚了。他

们声称黑人比白人低等拙劣，是较不进化的种族。举例来说，黑皮

肤和大鼻子就容易使人联想到类人猿。但从这个例子来看，这种

解释正好导致了相反的结果。黑人是所有人类族群中毛发最少

的，而且其毛发卷曲而柔软；至于白人又长又直的毛发，比黑人更

接近类人猿。同样，以黑人的厚唇来说，白人的薄唇反而更接近类

①含是诺亚的儿子，迦南的父亲。——译注

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人猿了。

这项事实说明了，任何企图借助进化程度将人类的不同族群

分级，就好像拿着鲁钝的工具去完成精细的工作一样，有点可笑。

人类都只属于一个种，即智人，而且到目前为止，由自然选择所发

展出来的差异，仍然微不足道。

在热带和亚热带地区居住的人，黑色皮肤对防止日晒有显著

的效果。北欧人的白皮肤是为了使皮肤中的类固醇能形成足够的

维生素

D，而尽可能地吸收微弱日光中的紫外线。爱斯基摩人和

蒙古人的小眼睛，是为了防止雪花所反射的强烈刺眼的光芒，和防

止沙漠中的飞沙吹入眼中，在他们生长的地方，都有其存在的价

值。欧洲人的挺直鼻梁及狭窄鼻道，使他们能够适应北方的寒冷

气候，而不致于冻伤鼻子。诸如此类的例子还有很多。

由于智人的发展，使我们居住的这个行星成为一个文明的世

界，因此不但过去的发展没有造成人体结构的基本差异，在将来也

不可能发展出差异来，而且异族通婚的结果正在使人类的遗传因

子趋向稳定的均衡，美国黑人就是一个最好的例子。尽管黑人和

白人通婚受到社会的阻挠，但据估计，在美国有

4/5的黑人，他们

的祖先是白人。也许在

20世纪结束之前，北美已无纯正血统的黑

人了。

血型与种族

人类学家们对于种族仍然具有强烈的兴趣，其原因主要是想

研究出早期人类的迁移情况。想要鉴别种族是不容易的事。例

如，想用皮肤的颜色来作鉴别种族的标准是不容易的。比如澳大

利亚的土著和非洲黑人，都是黑色的皮肤，但他们之间的关系，都

不如与欧洲之间的关系密切。头型也不是很好的鉴别标准，例如，

1840年，瑞典的解剖学家雷齐乌斯提出长头与短头两个名称，头

第十六章 物 种

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长与头宽的比乘以

100，称为头指数，若以头盖骨作为基准，则为

头颅指数。根据这些指数差，可以将欧洲人分为日耳曼民族、阿尔

卑斯民族和地中海民族。每个小群之间的差别非常小，而每个小

群内个体的差别范围则很广。除此以外，缺少维生素，或者在婴儿

时期睡的摇篮形状等环境因素的不同，都会影响头颅的形状。

后来人类学家终于找到了鉴别种族的极好的标准，那便是血

型。美国波斯顿大学的生物化学家博伊德，在血型与种族鉴定的

关系上，有显著的成就。他指出，血型是以简单而明了的形式遗传

给后代的，不会受环境的影响而改变，而且在不同的种族，血型有

着明显不同的分布。

美洲的印第安人是一个特别好的例子，有一些部落，几乎全部

是

O型，其他则是

O型中混杂着很大比例的

A型，而事实上印第

安人中没有

B型或

AB型血型的人。如果在美洲印第安人中，有

一个人血型是

B型或

AB型，那么，几乎可以肯定，他的祖先是欧

洲人。澳大利亚土著则是

A型中混杂着大比例的

O型，事实上，

他们也没有

B型血型。但是，澳大利亚土著和美洲印第安人的差

别在最近才被发现，澳大利亚土著含有高比例的

M血型及低比例

的

N血型，而美洲印第安人则相反，具有高比例的

N血型及低比

例的

M血型。

在欧洲和亚洲，民族之间混杂的现象就更为普遍，因而他们之

间的差别也就更少了，但仍然非常明显。例如，在伦敦有

70%的

人口是

O型，26%是

A型，而

5%是

B型。另外，在苏联的哈尔科

夫的人口中，其血型的分配是

60%为

O型，25%为

A型，15%为

B

型。一般说来，在欧洲，愈向东

B型人口的数量愈多；在中亚，

B型

所占比率高达

40%。

从现在的血型基因也可表明有关过去迁移的一些尚未完全消

失的记号。B型渗透到欧洲，可能是公元

5世纪时匈奴人的入侵

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以及

13世纪时蒙古人的入侵所留下来的证据。在远东，类似的血

型研究似乎表明，

A型基因是由西南方渗透到日本的，而

B型基因

则是从北方渗透到澳大利亚的。

特别令人感兴趣而又出乎意料的是，在对

Rh血型分布的研

究中发现，欧洲早期的人类迁移曾到过西班牙。（Rh血型的名字

来源于对恒河猴红细胞的抗血清血型反应。控制

Rh血型的基

因，至少有

8个等位基因。其中

7个称为

Rh阳性，而第

8个称为

Rh阴性，因为只有当一个人同时由父母双方得到这个等位基因

时，它才显示出其作用。）在美国，大约有

85%的人口是

Rh阳性，

15%是

Rh阴性。大部分的欧洲民族，也有相同的比例。但是，奇

怪的是，西班牙北部的巴斯克地区却正好相反，有

60%的人口是

Rh阴性，而

40%是

Rh阳性。值得注意的是，巴斯克语言与任何

其他欧洲语言没有任何关联。

或许可以得出这样的结论，那就是巴斯克人是史前时代被一

个

Rh阴性民族侵略后的剩存者。假定这个民族其后又被另一个

Rh阳性的民族侵略，并被禁锢在高山上，而成为惟一的大量早期

欧洲人族群。目前存在于欧洲其他地区及美洲殖民地的欧洲人后

裔中的少数

Rh阴性基因者，可能就是由那些早期欧洲人传续下

来的。

亚洲人、非洲黑人、美洲印第安人以及澳大利亚土著人，几乎

全都是

Rh阳性的。

人类的未来

想要预测人类种族的未来，是一件非常危险的事情。这种事

第十六章 物 种

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情最好留给神秘家或是科学幻想作家来做（虽然，从某一种意义来

说，我自己也是一个科学幻想作家）。但是对于未来，我们仍可确

定一点，那就是，假如没有世界性的大悲剧，例如全球的核战争、外

层空间的侵袭、或是大范围的新的致命流行病，人类的人口数将会

很快地增加。现在的人口是两个世纪前的

5倍之多。某些人曾估

计，在人类生存的

60万年间，共有

770亿人口。如果真是如此，目

前人口大约是有始以来人口总数的

6%，而且人口将会以可怕的

速度继续增加。

我们因为没有古代人口数目的调查资料，因而我们必须以我

们所了解的生活条件为基础，做一个粗浅的估计。生态学家估计，

农耕时代以前的食物来源，包括猎物、渔获物、捡集野生果实及核

果等等，不能够供应多于

2 000万的人类生存。事实上，旧石器时

代的人口，大约是

1 000万或者只有约

650万。照这样来计算，公

元前

6000年的总人口，不可能多于

600万到

1 000万之间，少于

现在上海或墨西哥城等单一城市的人口。而当美洲被发现时，在

现在美国这片土地上，以生产食物而自给自足的印第安人总数，不

会超过

25万，相当于俄亥俄州达顿市的人口分散在整个北美洲大

陆上。

人口膨胀

随着新石器的改革以及农业的发展，世界人口的数目第一次

往前迈进了一大步。英国生物学家

J. S.赫胥黎（“达尔文的斗犬”

T. H.赫胥黎的孙子）估计，每

1 700年人口数目就从原来的数目

增加一倍。在青铜器时代的初期，全世界的人口大约是

2 500万；

铁器时代的早期，人口约有

7 000万；公元纪元初期的人口约有

1.7亿，其中

1/3居住在罗马帝国，另

1/3属于中国，其余的

1/3

则散布在各地。到公元

1600年，全球的总人口数约为

5亿，比现

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在整个印度的人口数目还少。

比较稳定的人口增长，在公元

1600年便告停止，从这时开始

人口膨胀。世界探险家在空旷的新大陆发现，在

4 700万平方公

里的土地上，有欧洲人的殖民。

18世纪的工业革命，同时加速了

人口与食物的增长，即使在较落后的中国与印度，也出现了人口膨

胀的现象。至今，没有用几千年，而只在短短不到

200年的时间之

内，总人口数就增加了一倍。人口数由公元

1600年的

5亿，膨胀

到

1800年的

9亿。因为总人口数以超乎寻常的速度发展，到了

1900年，已达到

16亿。在

20世纪的前

70年中，尽管曾有两次世

界大战的死伤，总人口数仍上升到了

36亿。

1970年，全球人口数以每天

22万或者是每年

7 000万的速率

增加。这样的人口增加量，如以百分比来计算，每年为

2%（1650

年估计年增长率仅为

0.3%）。根据这样的增加速率，全世界在大

约

35年内就会增加一倍，而在某些地区，例如拉丁美洲，所需的时

间可能还会更短些。

现在，人口学家强烈倾向于马尔萨斯的人口理论。这个理论

在

1798年发表时，并不是很流行。就如同在前面所说过的，马尔

萨斯在他的《人口论》中提到，因为人口的增长总是比食物供给来

得快速，所以会定期地产生不可避免的饥饿与战争。暂且不管他

的预测是否正确，事实上，全世界总人口数在过去的几个世纪中，

一直十分快速地增长，而无明显的减缓趋势。过去，人口的问题还

不严重，人类仍然十分幸运地拥有地球上大部分尚未开发的土地

可以生产，增加食物的供应。然而，现在我们已经没有可以耕作的

新土地。如今，全世界有一大部分人口的食物仍然供应不足，因此

我们必须花费很大的努力，去解决这个长期性的营养不足问题。

确切地说，海洋应该可以更合理地开发，以增加更多的食物。许多

地区可以使用化学肥料，以增加农产物的产量，另外，如正确的喷

第十六章 物 种

第十六章 物 种

洒杀虫剂，也可以减低虫害所造成的损失。此外，还有些可以直接

促进生产的方法。例如由日本的生物化学家在第二次世界大战以

前研究成功的植物激素中的赤霉素（这种赤霉素在

50年代才引起

西方的注意），能加速植物生长；在饲料中添加一些抗菌素，也可以

加速动物的生长（或是由于压抑肠内细菌的功能，使其无法与小肠

竞争食物，它的作用温和，但能使细菌丧失感染力）。尽管有这些

增加食物的方法，但嗷嗷待哺的新生人口，仍然以惊人的速度增

加，因此费尽力气采取各种方法，也只能使全世界的人口维持在目

前不算理想的地步而已。全球有

3亿

5岁以下的小孩因为营养不

良而导致永久性的脑部损伤。

淡水资源尽管在地球上如此普遍，但也渐渐感到不够用（现在

仍没有受到重视）。如今全世界每天消耗的淡水量超过

2万亿加

仑；虽然总降水量是这个数字的

50倍（雨水是淡水的主要来源），

但是，也只有很少一部分的雨水能够再重复使用。仅仅在美国，每

天就使用

3 500亿加仑的淡水，而且总降水量中只有

10%能被人

类以某种方式所消耗。

由于淡水逐渐缺乏，所以对目前世界河川与湖泊的归属问题

争论不休（例如，叙利亚与以色列争夺约旦河；亚利桑那州与加利

福尼亚州彼此争取科罗拉多河的归属权）。水井也愈挖愈深；全世

界有许多地方，地下水位下降是个十分严重的问题。保留淡水有

各种不同的方法，在澳大利亚、以色列及东非一些地区，他们使用

长碳链的醇类覆盖于湖泊及蓄水池之上。长碳链的醇类在水面上

扩散会形成一个分子厚的薄膜，以阻止水分的蒸发，而不会污染水

质（当然，污水和工业废水的增加也是近代减少淡水供应的原因）。

最终，我们似乎必须由海洋来获得淡水，因为从长远的观点来

看，只有海洋才可以无限制的供应淡水。最常采用的海水淡化的

方法，是蒸馏及冷冻。除此以外，也可以采用只能让水分子通过而

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不能让其他离子通过的薄膜来淡化海水。苏联及美国这两个彼此

竞争的国家，在其他问题上，他们是绝对不可能一起合作的，现在

竟然一起讨论解决海水淡化的问题，可见这个问题是多么重要了。

我们应该对人类的才智保持乐观的态度，并且承认人类的聪

明才智是无可限量的。让我们这样想一想，利用神奇的科学技术，

人们可以做到下面几件事情：使地球上的食物增加

10倍；开采海

洋中的金属矿产和撒哈拉沙漠中的石油以及南极大陆的煤矿；控

制太阳能；发展核动力等等。但是，这样做了又如何呢？如果人口

一直以目前的速率增加，所有的科技发明仍然会使我们像西叙福

斯

①一样，不停地在高峰上做无谓的努力。

如果人们未能肯定是否接受这个悲观的预测，那么，让我们来

看一看几何级数增长的威力吧！据估计，全世界或者说整个地球

上的生物总重量，大约是

2×1019克，如果是真的话，在

1970年全

人类的总重量，约占全球生物总重量的

1/100 000。

如果地球上的人口继续每

35年就增加

1倍，那么，到

2570

年，人口将会增加

10万倍。到那时，人类将超过地球上所有生物

所能供应的限度，而难于再继续增加了。在这样的情况下，到

2570年时，地球上将全数为人类，而不再有其他生物，如果人类还

想继续生存，只好吃人肉了。

尽管人类还可以用酵母培养、水耕法（即把植物种在含营养的

液体中而不是种在土壤中的种植方法）等等，但是想要将无机物制

造成食物，仍然没有任何可以想象的方法，能够追赶上

35年人口

就增加一倍的无情速度。以这个速度，到了

2600年，人口将会达

①西叙福斯是希腊神话故事中一个诡诈而贪婪的人，因而神罚他死后在阴间推

一块大石上山，但这石推到山上又会自动滚下，永远放不到山上。“西叙福斯的劳动”

或“西叙福斯的石头”已成为谚语，指永远做徒劳无效的事。——译注

第十六章 物 种

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到

63 000亿。到那时，我们人类的地球将只能容纳每人站立的空

间，就是包括格陵兰和南极大陆在内，平均每个人在地球表面也只

拥有

0.2平方米的空间。事实上，如果人类以目前这种速度增加，

那么，到了

3550年，人类的总重量将相当于整个地球的重量。

也许，有人会想到移居到别的星球去，并且在那里也有食物。

假如有

1万亿个可供人类迁移居住的星球，人类又可以随意前往

居住，但如果一直以目前人口增加的速度持续下去的话，每个可供

人类移居的星球，到了

5000年，将仍只剩下供每个人站立的空间

而已。到了

7000年，所有人类的总重量将会相当于我们目前所知

的宇宙总重量。

很明显，人类不可能再在忽略水、食物、矿物和能源的情况下，

以目前的速率继续增加下去，我不是说“不能”、“不敢”或是“不应

该”，我很坦率地说“根本不可能”。

确实，如果人口的数量以目前的速度持续增长，限制我们生存

的将不只是数量而已。地球上每分钟所增加的人口，会消耗掉更

多无法替代的资源，使用掉更多的能量，而且产生更多的废物和污

染。虽然人口每

35年就增加

1倍，但是按照

1970年能量的使用

率，35年之后，能源的消耗量将提高

6倍，而不是

1倍。

盲目污染与环境毒害一年比一年严重，远比单纯的人口增长

更为可怕。例如，化学设备中所排放的废气，家庭和工厂燃烧油所

产生的污烟，都涌入空气中。数以万计的汽车所排出的汽油味与

燃烧产生的氧化物，更不要说一氧化碳与铅了。硫、氮和其他物质

的氧化物，不论是直接产生，或是经过太阳紫外线的氧化，都会腐

蚀金属及橡胶，损害建筑物，残害农作物，导致人的呼吸道疾病加

重，甚至引起肺癌。

若是城市上空的大气，停滞一段时间不流动，那么污染物的聚

集将会严重地污染空气，助长烟雾的形成。这种烟雾首先在洛杉

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矶，然后继续在许多城市都有报道。烟雾所造成的最大伤害，是数

以百计居住在烟雾中的老人或病人，因无法忍受烟雾对他们肺部

所造成的压力而丧生。这种悲剧于

1948年曾在多诺拉和宾夕法

尼亚州发生，1952年又在伦敦出现过。

地球上的淡水被许多种化学废物所污染，而其中的任何一种

都将可能造成极大的悲剧。1970年，含水银的化合物被轻率地倒

入海中，再辗转进人到海洋生物体内，而造成许多危害。以目前这

种污染速度，不要说我们想从海洋中寻找到更多的食物来源，而实

际上我们可能已经开始毒害海洋的资源了。

毫无选择性地使用长时效的杀虫剂，将会使这些杀虫剂残留

于植物中，并紧接着从植物进入到动物体内。由于这样得来的毒

害，有些鸟类已经不能再产下卵壳正常的鸟蛋，从而不能抵御昆虫

的攻击。我们现在正面临着类似鹰隼绝迹的同样的局面。

差不多每一项所谓新的科技进展，都是急于想超越自己的对

手，增加自己的利益，但是往往没有适当的警觉性，以至于带来许

多困境。自从第二次世界大战以来，人造清洁剂代替了肥皂。这

些清洁剂的主要元素之一，便是各种不同种类的磷酸盐；这些磷酸

盐流入水中，大大地加速了微生物的生长，因而耗尽了水中氧的供

应，导致其他水中生物的死亡。北美大湖区的富营养化，也将因为

这些有毒物质的影响而加速衰老，比较浅的伊利湖便是一个明显

的例子，这些湖泊的寿命因而缩短了约

100万年。伊利湖将会变

成伊利沼泽，而美国佛罗里达州南部大沼泽地，也将完全枯竭。

任何生物彼此之间都是相互依赖而生存的。例如植物与蜜蜂

的关系，便是一个明显的例子，植物靠蜜蜂而授粉，而蜜蜂则依赖

植物得到食物才能生存。此外，还可以列举出其他成千上万的例

子。每当有一种特殊生物的数目急剧上升或减少，都将影响其他

数十种生物的生长或生存，虽然有时这种影响的方式并不清楚。

第十六章 物 种

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研究生物个体之间相互关系的科学叫做生态学。生态学直到现在

才慢慢受到重视，因为许多例子表明，由于人类只顾追求短暂的利

益而改变了整个生态结构，造成长期性的困难。因此，在我们决心

去做某些事时，务必三思而后行。

甚至火箭这种明显的另外一个世界的事情，也必须谨慎考虑。

仅一枚巨大的火箭，就会在

60公里的高空，排放出超过

100吨的废

气进入大气层。这些废气将明显地改变高层大气的物理性质，而造

成难于预料的气候变化。本世纪

70年代，超音速飞机间世，它能以

超过音速的速度飞越同温层。反对这种飞机的人，其理由不只是由

于音爆所带来的噪声，而且也由于它影响气候并污染环境。

另外一个因人口增加而形成的更为严重的问题是，人类在地

球表面上的分布不均衡。无论任何地方，人口都有集中到大城市

的趋势。在美国，尽管人口不断增加，但某些农耕地区，不仅没有

分担人口膨胀的压力，事实上这些农耕地区的人口反而有减少的

现象，据估计，大城市的人口并不是每

35年增加

1倍，而是每

11

年就增加

1倍。到了

2005年，地球上的人口总数将会加倍，而大

城市的人口将增加到

9倍以上。

这是一个十分严重的问题，目前我们也看到了社会结构的解

体。这种现象通常都集中在都市化已经相当明显的先进国家。在

这些国家中，人口通常都集中在都市，特别是都市中最拥挤的地

方。毫无疑问，当生物拥挤到超过某个极限，许多病态的行为将会

出现。这由许多用大鼠来做的实验所证实，而且，以我们本身的经

验与种种新闻事件来看，这种结果也将适用于人类。

显而易见，如果现在这种趋势仍无改变，在下半个世纪，整个

科技以及社会结构将会完全瓦解，而且会有无法估量的可怕后果。

人类在疯狂的情况下，可能会全面诉诸于核战争。

但是，目前的这种趋势会继续下去吗？

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很明显，想改变目前的这种趋势，需要极大的努力和传统价值

观念的改变。对于大部分的人类历史来说，人类曾经有过一段寿

命十分短暂的时期，许多婴儿在襁褓中就已夭折。因而，在那时一

个种族若不想灭亡的话，女人就必须尽可能的怀孕生育子女。基

于这个原因，母性被奉为神明，而且每一种可能降低出生率的趋势

都被阻止。女人的地位在当时被贬为只是生小孩和养育小孩的机

器而已。在对性行为的控制上，除了可以导致怀孕的行为之外，其

他的行为被视为罪过与邪恶。

但是现在我们居住在一个拥挤的世界里。如要想避免人口危

机，母性必须成为一项不可滥用的特权。对于性以及性和生育儿

女之间的关系的认识，必须有所转变。

从本质上看这个问题是全球性的。由于人口膨胀、过度污染、

自然资源消失以及核战争的威胁所造成的危机，影响到每一个国

家，所以除非所有的国家通力合作，否则无法解决这个危机。这就

意味着，所有的国家都不能忽视其他国家，而自己一意孤行。任何

国家都不应该以国家安全为理由，让其他的国家发生灾难，而本身

获取好处。总而言之，一个有效率的世界性政府组织是必须的，这

个联邦性的世界组织，能容许各种不同的文化差异自由发挥，而且

能够保障人权（希望如此）。

但是，这种组织能产生吗？

或许可能。

在前面的章节里，曾提到世界人口以及

1970年时人口增加的

速率，目前有许多国家的政府已逐渐了解人口过度膨胀会带来无

数危机，以至于世界人口增加的现象开始慢慢有些缓和。许多国

家的政府都深切体会到，除非真正解决人口问题，否则其他问题也

就无法解决。开始鼓励实施人口计划的国家不断增加，在中国（拥

有

10亿人口，几乎占全世界人口的

1/4），目前正在极力推行一对

第十六章 物 种

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夫妻只生育一个孩子的计划。

实施计划生育的结果，世界人口的增长率已从

1970年的

2%

下降到

1980年的

1.6%。具体来说，也就是如果目前全世界的人

口为

50亿，那么以

1.6%的增长率来计算，每年全世界就增加

8 000万的新人口，仍稍多于

1970年的年度人口增加量。虽然计

划生育目前还没有在全世界广泛推广，但至少我们正在朝正确的

方向前进。

此外，人们也已看到了逐渐高涨的女权运动。女性们逐渐了

解，在生活的每一个方面，她们也扮演着同样重要的角色。女权运

动的重要性（姑且不谈它的合理性）在于女性能在世界的各个工作

岗位上得到自我满足，而不再只是一个生育和管家的机器，因此，

出生率可能会保持减缓的势头。

诚然，尽管每个人似乎都明了控制人口的运动是必要的，但控

制人口仍遭到反对的声浪。在美国有一个活跃的组织，他们不仅

反对堕胎，而且反对在学校里讲授性教育课程，同时也反对任何可

能造成无谓流产的避孕装置。在他们看来，惟一合法的方式就是

性节制。但是，没有人相信人类能够自我节制。这个团体自称为

“生命的权利”，对不了解人口膨胀危机的人来说，“致命愚蠢的权

利”这个名称，倒是一个更好的名称。

1973年，世界上拥有石油资源最主要的阿拉伯国家，因为反

对西方国家对以色列的支援，而开展短时的石油禁运，这项禁运和

以后的石油价格的稳定上涨，使我们认识到工业国家的确需要妥

善保存资源。如果这项禁运继续下去，我们势必将采用太阳能、核

能和其他可重复使用的资源，来替代原先的石油资源，这样我们就

会朝着生存的目标迈出一大步。

人们对于环境条件的要求也日渐加强。在美国，

1981年上任

的里根总统曾推行许多以人道主义思想为基础的经济政策；这些

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政策从半个世纪以前

F. D.罗斯福的“新经济政策”时期就开始实

施了。里根政府以为推行这种经济政策会得到美国大多数人民的

支持。然而当某些人为了少数人的利益不惜毒害大多数人时，美

国环境保护局便开始插手管这件事，于是引起强烈的抗议，被迫改

组了机构并承认他们“误解”了里根的命令。

人们不该低估科学技术突飞猛进所产生的作用，例如通信技

术的重大革命。在不久的未来，通信卫星的大量增加，将可以使每

一个人都能和其他任何地方的人联络。不发达国家也可以跳过需

要大量资金来建设的早期通讯网络，而直接进入可以直接收发信

息的阶段，比方说，每个人都拥有个人电视站。

世界将因而缩小到如同阡陌相连的小乡村。实际上，全球村

正是形容这种情况的好名字。使用特殊的电视教学，能使全球村

的每一个角落都受到教育。现在较落后的国家中的新生的一代，

将可通过这种途径，学习到最新的农耕技术，正确地使用肥料和杀

虫剂以及人口节制的方法。

这甚至可能是人类有史以来第一次有人口分散的可能性。借

助全球的通信电视网，世界上任何一个地方都能获得最新的商业

信息、丰富的图书资料以及新的农耕计划，而不需要把这一切再聚

集在一起，既庞大又易于腐烂。

电子计算机和机器人也将产生有益的影响（在后面的章节里

将会谈到）。

但是，谁知道呢？危机似乎迫在眉睫，然而亡羊补牢也许为时

未晚。

海底移民

假如人类危机可以得到解决，人口开始趋于稳定，人口增长率

渐渐以人道的方式减缓；贤明而有效率的世界性机构创设，允许地

第十六章 物 种

第十六章 物 种

区性的分歧意见而不加以抹煞；生态结构受到重视，地球资源被有

系统地保存——然后呢？

人类仍然将积极去开拓新的领域。原始人类发迹于东非，刚

开始时也许没有现代大猩猩分布广或更成功，然而原始人类向外

开拓，直到

15 000年前，智人便已分布到整个世界岛（非洲、亚洲

和欧洲）。以后，人类又开始将脚步扩展到美洲、大洋洲，甚至于穿

越到太平洋群岛。20世纪以前，不适于人类居住的地方，例如撒

哈拉沙漠、阿拉伯沙漠和格陵兰，人口仍然十分稀少，但是除了南

极大陆以外，没有任何地区是没有人类居住的。至少，现在的科学

站已经永久地建立在最不适合人类居住的地方。

到所有陆地都已被人类开发居住以后，接下来，要开发移居到

什么地方去呢？

海洋是一个可能的回答。海洋是生命的发源地，并且单以数

量而言，海洋拥有最丰富的资源。除了昆虫以外，陆地上任何种类

的生物都试图回到海洋去生活，因为那里食物供应比较充足，居住

环境也比较安定。在哺乳动物中，水獭、海豹和鲸鱼重新适应水中

的生活，便是很好的例子。

人类能否在现在科学技术的高度发展和进步的条件下，不经

过十分缓慢的进化过程，就改变人体结构，以便重新回到海洋适应

水中生活呢？现在人类已可以置身于潜水艇和探海艇的厚金属壳

内，潜入海洋，到达最深的底层。

然而潜水艇是不能满足人类的需求的。1943年，一位法国海

洋学家库斯托发明了水肺，也就是装有压缩空气的氧气筒，背在背

上，人类便能亲自体验在水中停留一段时间的感觉，而不再只局限

在船舱或潜水艇里了。

库斯托同时也是第一个建造海底生活居所的先驱，在这样的

住所里面，人们甚至可以停留更长的时间。1964年，有两个人（其

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中一个是林德伯格，一位飞行师的儿子）在海平面下

130米深处生

活了两天，如果在较浅的地方，人们甚至可以在水中停留数周之

久。

从

1961年起出现了更加戏剧性的发展，生物学家凯尔斯特拉

在莱登大学开始研究哺乳类动物在水中真正的呼吸情况。除了鳃

较能适应低氧浓度外，肺与鳃的作用几乎十分相似。凯尔斯特拉

把水溶液配制成与哺乳类动物的血液相似，并在其中灌满氧，以免

伤害肺部组织。他发现，无论是小鼠或狗，都能在这种溶液下生活

一段时间，而无明显的病症。

田鼠能在一张薄的硅胶膜包围之下，在普通的水中生存一段

时间。水中的氧可以通过薄胶膜传给田鼠，而田鼠呼出的二氧化

碳也可以通过薄胶膜扩散到水中。这种薄胶膜实际上就是一个人

造鱼鳃。从目前和未来的发展来看，人类以后必将能够在水中无

限期的居留，而且把地球的表面——陆地和海洋——都当成自己

的家园。

空间移民

外层空间又怎么样呢？人们是否一定要居住在地球上？或者

能否到外层空间去旅游或探险呢？

当

1958年第一枚人造地球卫星进入外层空间的轨道时，自然

引起了人们对空间旅游的想象。自那时候起，科学幻想小说所描

写的某些现象，便渐渐地变为事实。卫星

1号的发射是人类空间

计划的第一步，其筹备时间只花了三年半。然而只经过了

8年，人

类便能踏上月球了。

空间计划需要耗费大量的钱财，而且还遭受到不少科学家的

反对。这些科学家中，有的认为空间计划是广大群众关心有余而

科学证据不足的天真想法；另有些科学家认为，空间计划阻碍了更

第十六章 物 种

第十六章 物 种

伟大的科学发明。还有一部分阻力来自社会大众，他们认为地球

上有许多社会问题亟待解决，而发展空间计划要花费很多的钱，却

又不可能得到立竿见影的效果。

然而，空间计划仍在继续进行，只不过是速度放慢了一些。如

果人类能在愚蠢的战争上，尽可能减少资源消耗，那么，空间计划

就可以更快速地推进。空间计划中也有建立空间站的设想——实

际上，大型空间站有可能永久停留在地球的轨道上，而且可能供一

些人在上面停留一段时间——这在研究和实验上都被认为是具有

相当价值的。航天飞机可以重复使用，而且运转良好，是开拓空间

计划十分重要的前提条件。

人们希望将来能在月球上建立永久居民区，而且更希望能够

在月球上开采资源，而不再只是永久地依赖地球来生存了。

1974年，美国物理学家奥尼尔提出，人类不一定要在月球上

居住，而仅将月球作为一座开采站。虽然人类起源于一个行星的

表面，但人类没有必要限制自己只在地球表面上生活。奥尼尔指

出，在地球轨道上放置一个圆柱体、球体或面包圈形的物体，使它

快速旋转到足以产生离心力，就能使人类在这些物体内部表面上，

感觉到有一种重力，而这种重力是人为的伪重力。

这种空间居留所可以用金属或玻璃来作建筑材料，其内部要

填满采自月球的土壤，并将它建筑成类似地球的环境，而且依其大

小，可容纳一万人或更多。这个居留所的轨道，可定在使月球、地

球和居留所分别处在一个等边三角形的三个顶点上。

当然，也可以使空间居留所拥有两个轨道的位置，或将几十个

居留所相互聚集在一起。到目前为止，美国和苏联似乎都还没有

这种计划，但是奥尼尔却乐观地认为，如果人类全心投入这个计

划，那么居住在空间的人数多于地球上人数的时日，并不会太远。

奥尼尔最初所提出的居留所，是针对月球的轨道而设计的。

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但是，人类能不能越过月球再往前推进到别的星球上去呢？

从理论上来说，没有任何理由可以解释，为什么人类不可能越

过月球而到达下一个最近而可以登陆的星球——火星（虽然金星

离地球更近，但那里太热而不适合人类停留）。要到火星那里去，

需要好几个月的时间，而不像到月球那里只要几天的时间。正因

为需要几个月的时间，所以人们必须携带足够的生活必需品才行。

利用潜水艇或探海艇深入到海洋的深处的方法和装备，人类

都已有了一定的经验。人们现在也可以像在深海中航行一样，携

带适当足够的食物和一大袋封闭好的空气，到空间去旅行。但是，

当要离开地球进入空间时，克服重力的问题是非常复杂的。因为

在宇宙飞船内，原先被装备、人员、燃料和机械等所占的空间比较

小，携带的重量也比较轻；如果飞行时间延长就必须占据更大的空

间和携带更大的重量。

空间食物必须极为紧密，食物中绝对不可有多余的空隙容纳

不能消化的成分。这些浓缩的人工食物，必须具备足以维持人类

生命的果糖、无刺激性的植物油、适当的氨基酸混合物、维生素、矿

物质和不同的香料，所有这些东西都被压缩在一个由可食用的碳

氢化合物所制成的盒子中。一个盒子可供应一餐所需的

180克固

态食物及

1 000卡的热量。另外，每卡必须添加

1克的水（一个人

一天需要

2.5～3升的水）；某些水与食物混合，做成小粒丸状，以

增加盒子的容积。此外，宇宙飞船还必须携带每人每天所需的大

约

1升的液态氧（约

1 150克）。

这样，每人每天所需物品的总重量是：干的食物

540克，水

2 700克和氧

1 150克，合计

4 390克。那么，要完成去一趟月球的

旅行，来回旅途的飞行时间各需要

7天，加上停留在月球表面探测

两天的时间，每个人就必须携带

68公斤的食物、水和氧。可以相

信，以现在的科学技术水平来说，处理这样的事情，应该是不成问

第十六章 物 种

第十六章 物 种

题的。

如果估计要去一次火星探险，那么来回的飞行时间和必须携

带的东西就非常多了。来回一趟火星的行程约需花费两年半的时

间，还要在火星上等待到有合适的行星轨道的位相角才能起程回

来。依照上面所述的要求，若去火星探险旅行，则每人需要约

5吨

重的食物、水和氧。以现在的科学技术水平来看，要在宇宙飞船上

运送这样多的东西，是非常困难或是不可能的。

要解决远距离空间探险的问题，惟一可能的办法就是宇宙飞

船必须能自给自足。以同样的观点来看，地球也是一个围绕着空

间而自给自足的庞大的“宇宙飞船”。所有用于启程的水、食物和

空气，必须无限制地由废物中循环使用。

从理论上讲，这种闭合系统是可以建造出来的。重复使用废

物，听起来难于令人接受，但是这种做法毕竟是维持地球上所有的

生命使之能生息不止的一种过程。化学滤纸可以收集宇航员呼出

的二氧化碳和水蒸气；而尿素、盐分和水，可以经由尿液或排泄物

的蒸馏而取得。干燥排泄物，在使用紫外线消毒杀菌之后，配合二

氧化碳和水，能够饲养水槽中培养的藻类。借助藻类所进行的光

合作用，又可以把二氧化碳和排泄物中含氮化合物，转变成有机物

和氧，以供宇航员使用。惟一需要由系统以外提供的，是各种不同

过程中所需的能量，包括藻类光合作用所需的阳光。

据估计，只要有

110公斤的藻类，就可以供应一位宇航员在一

段时间内所需的食物和氧。加上所必须加工处理的设备，供应一

个人日常所需的总重量约为

160公斤，最多也不会超过

450公斤。

另外还有一些科学研究者寄希望于嗜氢细菌系统，这些细菌并不

需要阳光，而只是利用水解而来的氢便可生存。据报道，这种系统

的效率比光合作用的藻类还要高。

除了食物之外，还有一个长期失重的问题。宇航员曾在连续

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失重的状态下生活半年之久，而无任何永久性的伤害；尽管如此，

长时期的失重状态，仍或多或少是影响宇航员的因素。幸好，目前

已有办法克服它。例如，宇宙飞船的缓慢旋转，能够造成离心力，

从而使宇航员有重力的感觉。

最严重而又不容易解决的问题是超高速和瞬间减速所引起的

危险，这是宇宙飞船起飞或降落时难于避免的。

地球表面的正常重力称为

1g。失重便是

0g。能够使人类

的体重变成

2倍的加速度（或减速度）时的重力，便是

2g；能增加

体重

3倍的加速度，就叫做

3g，如此类推。

人体的姿态在加速度下，会发生重大的变化。如果先在头部

位置加速（或是向脚下部减速），那么血液就会由头部快速地下流。

在高加速之下（每

5秒

6g）会使人眩晕。相反，如果改由脚部开

始加速（负加速），血液将迅速涌向头部，这种情况更为危险，因为

在高压之下，眼睛或脑部的血管更容易破裂。只要在

10秒钟内具

有

2.5g的加速度，就足以使某些血管受到损害。

人类比较容易忍受横向加速度，即如同坐的姿势一样，向身体

的长轴垂直施加压力。人类在离心作用下能够抵抗高达

10g的

横向加速度，长达

2分钟以上，而不会发生丧失意识现象。

时间愈短，人类的忍受力就愈高。斯塔普和其他志愿者，曾在

美国新墨西哥州好乐门空军基地的雪橇跑道上，测试在保持高速

中突然减速所产生的后果，并取得惊人的发现。1954年

12月

10

日斯塔普做了一项举世闻名的运动：他在大约

1秒钟之内，承受了

高达

25g的减速度。他的雪橇由每小时

600多公里的速度，在

1.4秒之内完全停住。据估计，这大约相当于时速

120公里的汽

车撞上砖墙的力量。当然，斯塔普是用绳索捆绑在雪橇上，借以减

少伤害。结果，他身上仅发现几处擦伤、水泡和强力冲撞下所造成

的黑眼圈。

第十六章 物 种

第十六章 物 种

一个宇航员在发射升空时，必须在短时间内承受

6.5g的加

速度，而下降时，则必须承受高达

11g的减速度。

许多设计，例如按人的体形设计的卧椅、铠甲，甚至于把人浸

泡在一个充满水的密舱内，或是有充分安全空间的宇航服，都是用

来抵抗高重力速度的。

另外还有许多类似的研究或实验，用于讨论辐射的危险，长期

隔离的厌倦，以及在一个无声无息、永远黑夜的环境中生活的奇怪

感觉；此外，宇航员还必须忍受许多意想不到的千奇百怪的现象。

总而言之，一切为了远离地球；而在准备空间探险的整个过程中，

似乎看不到有什么克服不了的困难。

事实上，只要人们不坚持认为宇航员就是地球人，长期空间旅

行中的心理反常，可能并不是严重的问题。但平心而论，生活在巨

大的地球上，与生活在狭隘的宇宙飞船内，是有很明显的不同的。

至于奥尼尔所想象的太空居留者，会是什么样子的呢？这些

移民将能适应宇宙飞船内部的环境、饮食与循环利用的空气，而且

会有许多反重力的变异。宇宙飞船将是一个新居民地的小缩影，

也许，这些人能够终生习惯地生活在那里。

21世纪或更晚以后的主要课题，将是向空间移民与开创人类

探险的道路。空间移民将能够到达各个小行星，在那儿开采矿石，

提供人类扩展所需的新资源，并有许多星球将会被挖空而成为自

然的移居地；它们之中，有很多远比我们所能想象的地-月系统大

得多。

以这些小行星为基地，人类将能够探索太阳系外围的广大领

域……而太阳系之外，还有许许多多其他的星球等着我们人类去

拜访！

（罗迪安 译）

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第十七章 头 脑

神经系统

与其他生物相比，我们人类的体格实在是不怎么样。在力量

上我们比不上大多数个头和我们一样大的动物。我们的行走姿

势，和猫比起来，显得十分笨拙；我们跑不过狗或者鹿；在听觉、视

觉和嗅觉方面我们比许多其他动物要差。我们的骨骼结构不适合

于我们的直立姿势：人类可能是惟一会在正常姿势下、在正常活动

中产生“腰酸背痛”的动物。比起其他生物在进化中达到的尽善尽

美的境界（例如鱼类和鸟类在游泳和飞翔中的超高效率，昆虫的大

量繁殖能力和适应能力，病毒完美的简单性和效率），人实在像一

个笨拙而设计不佳的生物。作为纯粹的生物体，我们很难与地球

上占据任何特定生活环境的生物竞争。我们之所以能支配地球，

是因为我们有一个相当重要的特化器官——脑子。

神经细胞

细胞对其周围环境的变化（刺激）很敏感，并会做出适当的反

应。因此，原生物会游向在它附近水中滴入的糖液滴，并会游离酸

液滴。这种直接的、自动的反应对于单个细胞来说挺合适。但对

于多个细胞组成的结合体，这种反应会带来混乱。任何多细胞生

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

物必须具备一个协调各个细胞反应的系统。没有这样一个系统，

生物体就会像一个由互不交流、行动相互矛盾的人所组成的城市

一样。所以即使是最原始的多细胞动物——腔肠动物，也具有最

原始的神经系统。我们可以在它们身上见到最早的神经细胞（神

经元）——这是一些具有纤维的特化细胞，其纤维由主细胞体向外

延伸并伸展出极其精细的分支（图 17-1）。神经细胞的功能非常

微妙复杂，以至于即使在如此简单的水平上我们也不能完全解释

清楚它们到底是怎样工作的。环境中的变化以至今尚不清楚的某

种方式对神经细胞起作用。这些变化包括某种物质浓度的改变、

温度或亮度的变化、水的流动、或是直接接触到了什么物体。无论

什么刺激都会引起一个微小的神经脉冲，也就是一个快速传过神

经纤维的电流信号。当到达纤维末端时，神经脉冲会跃过一个微

小的间隔（突触）而传入下一个神经细胞；这样它就会一个细胞一

个细胞地传下去。（在高度发达的神经系统中，一个神经细胞可以

和其邻近的细胞间形成成千上万个突触。）对于一个腔肠动物（例

如水母）来说，神经脉冲会传遍整个生物体。水母的反应是收缩身

体的一部分或全部。如果刺激是来自与食物颗粒的接触，水母会

通过收缩触足将食物卷入体内。

图 17-1神经细胞

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当然，所有这些完全都是自动的。但是由于它对水母有利，我

们便倾向于认为水母的行为都是有目的的。确实，人类作为一种

行动都是有目的、有动机的生物，自然倾向于认为连无生命的自然

界也是有某种目的的。科学家们称这种态度为目的论，并尽量努

力避免这种方式的思维和言论。但是在描述进化结果时，以一切

向更高的效率发展这一点作为中心展开话题实在是太方便了，以

至于除了最狂热的纯粹主义者外，连科学家们也免不了偶尔陷入

目的论中。（当然，本书的读者已经注意到了，我经常犯这个毛

病。）不过，让我们在考虑神经系统和脑子的进化时尽力避免目的

论。脑子并不是由大自然设计的；可以说它是进化过程当中一系

列偶然事件的结果，这些偶然事件产生了一些有利的性质，而具有

这些性质的生物体在各个进化阶段中都能得到优势。在生存的斗

争中，一个动物如果比其竞争者对环境变化更敏感并能更快地做

出反应，则在自然选择中生存下来的机会就更大。例如，如果某个

动物身体上碰巧有一个点对光线特别敏感，它会给动物的生活带

来很大的好处，以至于随着进化的过程，眼点以及最终眼睛将会不

可避免地出现。

构成最初的感觉器官的特化细胞群最先出现在扁形动物门或

扁形虫中。另外，扁形虫已具有神经系统的雏形。该系统能避免

将神经脉冲毫无选择地传向全身，相反地，它会尽快把脉冲传向反

应的关键点。这一点是由于有了中枢神经索才做到的。扁形虫是

第一类具有中枢神经系统的动物。

还有，扁形虫的感觉器官集中于其头部一端，这是它们前进时

身体各部位中首先与外界接触的一端。于是，很自然地，神经索在

头部区域最为发达。这一块发达的神经组织便是脑的雏形。

渐渐地更加复杂的动物门增加了新的特性。感觉器官的数目

增加，敏感性提高。神经索及其分支也变得更加复杂精巧；发展出

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

一个分布广泛的传入神经细胞系统，其功能是向神经索传递信息；

以及传出纤维，其功能是向反应器官传递信息。那块位于头部关

键位置的神经结变得越来越复杂。神经纤维也向着能尽快传递脉

冲的形式进化。乌贼是进化程度最高的一种无节动物，它的神经

纤维变粗，以利于脉冲的快速传输。有节动物体内的神经纤维具

有一层脂肪质的鞘（髓鞘质），其加速传导神经脉冲的能力更强。

人体内某些神经纤维能以每秒

100米的速度（相当于每小时

360

公里）传送脉冲，而某些无脊椎动物的神经纤维只能达到每小时

160米的脉冲传输速度。

神经索的位置在脊索动物中有了根本上的变化。在脊索动物

体内，这条主神经干线（一般称做脊髓）顺后背延伸，而不是像在所

有低等动物体中那样顺腹部延伸。这看上去好像是倒退了一

步——神经索移到了更易暴露的位置。但是脊椎动物的神经索实

际上在骨质的脊柱内得到很好的保护。虽然脊骨的首要功能是保

护神经索，但它也带来了惊人的额外好处，也就是给脊索动物提供

了一个用以支撑更多体重的梁架结构。从脊骨延伸出的肋骨包住

了胸腔，延伸出的颚骨带动牙齿完成咀嚼工作，延伸出的长骨形成

了四肢。

脑的发展

脊索动物的脑源自三个基本结构，这些结构的雏形在最原始

的脊椎动物中已经出现了。这些结构在开始时不过是膨大的神经

组织，它们是前脑、中脑和后脑。这种划分方法是希腊解剖学家克

奥斯的埃拉西斯特拉图斯在公元前

280年左右首先提出的。在脊

髓头部一端，脊髓平滑变粗，形成后脑的一部分，称为延髓。延髓

前方，除了最原始的脊索动物外，一般都有一个隆起的部分，称做

小脑。再向前便是中脑。低等脊椎动物的中脑主要负责视觉并具

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有一对视叶，而它们的前脑则负责嗅觉和味觉并含有嗅球。前脑

从前到后分成嗅球区、大脑以及丘脑，丘脑的下半部分称做下丘

脑。通过将动物大脑切除并观察结果，法国解剖学家弗卢朗在

1824年已能证明，大脑的确是负责思维和意愿行为的。（见图

17-2，人脑的结构。）

图 17-2人脑的结构

大脑的顶部——也就是称做大脑皮质的那层外套——才是这

出戏里的大明星。在鱼类和两栖类动物中，它不过是一层平滑的

套子（称做大脑皮层）。在爬行类动物中，一块新的神经组织出现

了，称做新皮质。这才是将要出现的新事物的前身。它将逐步取

得视觉和其他感觉的管辖权。在爬行动物中，视觉信息交换中心

已部分地从中脑移向前脑，而在鸟类中它已完全移到前脑。在最

初的哺乳动物中，新皮质开始起主要作用。它几乎覆盖了大脑的

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

整个表面。一开始它还是一层平滑的外套，但是在高等哺乳动物

中它继续增长，其面积大大超过大脑的整个表面，以至于折叠成皱

褶或脑回。这些皱褶使高等哺乳动物（尤其是智人）的脑有高度的

复杂性和巨大的容量。

随着物种沿着这个方向不断发展，大脑逐渐支配了整个脑部，

中脑则几乎消失了。灵长目动物的视觉发达，嗅觉减退。它们前

脑中的嗅叶已缩成了小团。进化到这一步时，大脑扩展增大，已从

上面盖住了丘脑和小脑。

即使是早期类人动物的化石，其脑腔容量也比最发达的猿类

大得多。黑猩猩和猩猩的脑重量不超过

400克，比人个头大得多

的大猩猩的平均脑重量也只有

540克。相比之下，猿人属的成员

的脑重量据推测约在

850到

1 000克之间。而这个属在人科动物

中是脑量较小的。罗得西亚猿人的脑重量在

1 300克左右，而尼安

德特人和现代智人的脑子大约重达

1 500克。现代人的智力高于

尼安德特人，这是因为现代人脑有一大部分集中在前区，而这一区

域似乎负责控制高级智力功能。尼安德特人额头较低，他们的脑

子后部膨大；而现代人相对来说则额头较高，脑子的前部膨大发

达。

人科动物的脑子在过去

300万年中大约增大了

2倍——从进

化的角度来说这是一个很快的变化。但是这个变化为什么会发生

呢？为什么单单发生在人科动物中呢？

现在我们已经知道，即使在很早以前，小脑量的人科动物就已

经开始直立行走了，同现代人完全一样。这一点很可能是人科动

物脑量迅速增加的原因之一。直立姿势的出现大大早于脑量的增

加。直立姿势带来了两个重大结果：首先是眼睛被高高地提离地

面，从而可以向脑子提供更多的信息；其次是前肢获得了永久性的

解放，这就可以用于感觉和操纵环境。这些大量增加的知觉信息，

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包括远距离的视觉和近距离的触觉，使得一个增大的、能处理新事

物的脑子有了用武之地。这样，任何一个个体，如果它的脑子碰巧

工作效率比较高（可能是由于脑量较大，也可能是由于结构较佳），

则必然会在生活中强于其他个体。进化的过程必然会产生大脑量

的人科动物。（至少我们从现在看来似乎是这样。）

人脑

现代人的脑重占全身总重量的

1/50。这样我们可以说，大概

每

1克脑子平均控制着

50克身体。相比之下，黑猩猩的脑子占它

体重的

1/150，而大猩猩的脑重量只是体重的

1/500。固然，某些小

型灵长目动物的脑重占体重比比人类还要高。（蜂鸟的脑重占体

重比也超过了人类。）有的狨猴脑重达到体重的

1/18。但是，这些

小动物的脑子太小，绝对不可能包含人类级别的智慧所需的复杂

结构。简言之，不论从绝对的角度还是相对全身大小而言，智力发

展所需要的是一个较大的脑子，而这正是人类所具有的。

通过研究下面的例子，我们能够更清楚地体会这一点。有两

种哺乳动物的脑子明显大于人脑，但这样大的脑子并未给它们带

来超高的智慧。最大的象脑可重达

6 000克，而最大的鲸脑则可

重达

9 000克。但是这些脑子所管理的身体也是极其庞大的。尽

管象脑很大，它也只占象全身重量的

1/1 000，而一条大鲸的脑重

可能只是体重的

1/10 000。

在这方面有可能与人类匹敌的只有一种动物。海豚是鲸目中

体形较小的成员，具有这种可能性。某些海豚和鼠海豚体重不比

人大但脑却比人的大（有的能达到

1 700克）且脑回更加发达。

不过仅仅根据这一点就下结论说海豚的智力超过我们是不妥

当的。智力高低还和脑内部的组织结构有关。海豚的脑（以及尼

安德特人的脑）可能更偏重于一些我们认为是低等的功能。

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

惟一可靠的办法是通过实验来测定海豚的智力。某些研究人

员如利利似乎确信海豚的智力的确与我们自己相当，海豚和鼠海

豚拥有和我们一样复杂的语言模式，还有，将来也许可以建立某种

形式的人与海豚不同物种间的对话。

即使这些想法都是正确的，下面的结论还是毫无疑问的：即海

豚无论有多高的智力，在它们重新适应海中生活时，就失去了机

会，从此再不能把这种智力转化为对环境的控制。在水下不可能

利用火，而正是发现火的用处最先将人科动物同其他一切生物区

别开来。更根本的是，在水这样一种摩擦力很强的介质中高速游

动需要有完全流线型的体形，这就使海豚不可能发展出任何类似

人类的臂和手的器官。而要想巧妙地探索和操纵周围的环境，必

须得有这样的器官。

另外有趣的是，人类是从后面赶上并超过这些鲸目动物的。

在人科动物的脑子还很小时，海豚的脑子已经是比较大的了，然而

海豚并没有能阻止人科动物继续发展。今天看来不能想象我们会

允许进化出一些脑量大的鼠甚至是狗来威胁我们在地球上的地

位。但是，困在海中的海豚却对人科动物的进化无能为力，以至于

我们今天已经发展到如果愿意的话，毫不费力就能消灭鲸目动物

的地步。（我们当中的许多人不希望这样做，并在努力防止这样的

事情发生，这的确是人类的可贵之处。）

海豚有可能以某种我们尚不理解的哲学方式，在某些智力形

式上比我们强。但是说到对环境的有效控制和技术开发，就我们

所知从古到今从未有什么生物能超过智人。（不用说，人类行使他

们的智力和技术能力的活动并没有总是给他们所在的星球——以

及他们自己——带来好处。）

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智力测验

企图确定某一物种如海豚的精确智力水平是很困难的。应当

指出，至今尚未出现一种令人完全满意的测量方法来确定任何人

类成员的精确智力水平。

1904年，法国心理学家比奈和西蒙设计了一种通过分析被测

试者对一些精心选择的问题所做的答案来测定智力的方法。这类

智力测验引出了所谓智商的说法，智商代表测验得出的智力年龄

与实际年龄的比值——这个比值最后再乘以

100以去掉小数点。

主要是通过美国心理学家特曼在这方面的工作，公众逐渐了解了

智商的意义。

问题是所有的测验都是以某种文化背景为中心设计的。有关

犁的简单问题能难倒一个聪明的城里孩子，而关于电动扶梯的一般

问题也能让一个同样聪明的乡下孩子瞠目结舌。这两种问题都能

使一个同样聪明的澳大利亚土著人孩子困惑不解，而让我们摸不着

头脑的关于飞镖

①的问题对这个孩子来说却很可能不成问题。

而且，人们很难没有关于哪些人聪明，哪些人不聪明的偏见。

一位研究人员必然会“发现”那些和他本人文化背景相同的人的智

力比较高。古尔德在他于

1981年出版的《对人的错误量度》一书

中详细描述了从第一次世界大战以来，智商测验是怎样一直被用

来不知不觉地或想当然地为种族主义思想服务的。

最近的也是最引人注目的一个例子是英国心理学家伯特，他

是在牛津大学受的教育并曾在牛津、剑桥两所大学任教。他专门

研究了许多儿童的智商，并将这些智商数字与孩子们父母的职业

地位联系起来做分析。他将父母的职业地位划分为：高等专业人

①

澳大利亚土著的一种武器，通常用坚木制成，投出后可飞回原处。

——译注

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

员、低等专业人员、办事员、技术工人、半技术工人、非技术工人。

他发现孩子的智商与父母的职业完全吻合。父母的社会地位

越低，孩子的智商也越低。换句话说，人的社会地位是生来注定

的，境况好的人本来就该过好日子。

而且，伯特发现男人的智商高于女人、英格兰人智商高于爱尔

兰人、非犹太人高于犹太人，等等。他测试了生下后不久就被分开

的同卵双胞胎，发现虽然成长环境不同，他们的智商却还是非常相

近，再次指出遗传比环境更加重要。

伯特获得了很高的荣誉，并在

1971年去世前被封为骑士。但

是，在他死后，人们发现，他的实验数据毫无疑问是由他自己一手

捏造的。

用不着去追究他这样做的心理原因。（对我来说）知道这一点

就足够了：人们渴望别人认为自己聪明，以至于几乎不可能找到任

何能得出相反结果的数字。整个智力测验的领域都充满了感情和

自爱，所以人们对任何这方面的结果都应该谨慎对待。

另一种广为人知的测验是试图测定人头脑中比智力更微妙、

更难以捉摸的一个方面。这种测验由一些墨水渍所组成。一位瑞

士医生名叫罗尔沙赫，在

1911～1921年间首先采用了这种墨水渍

图案。测试者要求测试对象将墨水渍图案想象成具体图像；从测

试对象在这样的罗尔沙赫氏测验中所得到的具体图像的种类，测

试者推测出他或她的人格。但是，即使是在最好的情况下，这种推

测也不大可能得到任何实质性的结论。

功能的特化

很奇怪，许多古代哲学家几乎完全没有注意到人类头盖骨下

那个器官的重要性。亚里士多德认为脑子不过是一个空气调节装

置，是用来冷却过热的血液的。比亚里士多德晚一代人的希罗菲

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卢斯在亚历山大工作时，正确地认识到脑是智慧的中心。但是，像

在其他问题上一样，人们宁愿相信亚里士多德的错误观点，而不愿

听取别人的正确看法。

于是，上古和中古时期的思想家们倾向于认为心脏、肝脏或脾

脏是感情或个性的所在（请看下面这些说法：“心碎了”、“胆小的”、

“发脾气”）。

近代第一个探讨脑子的科学家是

17世纪英国内科医生和解

剖学家威利斯：他顺着神经追踪，发现它们通向脑子。后来，一位

名叫维克达居尔的法国解剖学家还有其他一些人粗略描绘了脑的

解剖结构。但是直到

18世纪才由瑞士生理学家哈勒做出了有关

神经系统运行机制的首次重大发现。

哈勒发现，刺激神经比直接刺激肌肉更容易使肌肉收缩。而

且：这种收缩是不随意的；他甚至能在生物体死后，通过刺激神经

的办法引发这种收缩。哈勒接着又证明感觉是由神经传递的。当

他把通向某些特定组织的神经切断后，这些组织就不再有反应了。

这位生理学家由此断定，脑通过神经收到感觉，再通过神经将信息

送出去，引起肌肉收缩之类的反应。他认为全部神经最终都集中

到脑的中心。

1811年，奥地利的内科医生加尔专心研究了大脑表面的灰质

（灰质和白质不同，白质仅由神经细胞体延伸出的纤维组成，纤维

由于其脂肪质的鞘而呈白色）。加尔提出神经并不是像哈勒所认

为的那样汇集到脑的中心，而是每一条都通向灰质的某一特定部

位。他认为灰质是脑中负责协调的区域。加尔推论说，大脑皮质

的不同部分分别负责从身体各不同部位收集感觉，并负责向身体

的特定部位发送引起反应的信息。

如果皮质的某一部分确实负责脑的某一特定功能，那么，自然

人们会设想，脑中某一部分的发达程度能反映一个人的性格或智

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

力。通过触摸一个人的头颅，我们能感觉出他头上有没有突出的

部分，这样也许可以发现脑子的这一部分或那一部分比较膨大并

能由此确定一个人是否特别慷慨或特别堕落或有什么其他特别的

地方。根据这一推论，一些加尔的追随者们杜撰了一门叫做颅相

学的伪科学。这东西在

19世纪相当流行，即使在今天也还没有销

声匿迹。（奇怪的是，虽然加尔和他的追随者们强调高前额和圆头

顶意味着智慧——这种观点至今还在许多人中颇有影响——加尔

本人的脑子却非常小，大约比平常人的脑子小

15%。）

由骗子们编造的颅相学纯粹是胡说八道，但这并不是说加尔

最初对大脑皮质特定部位专门功能的想法是不正确的。即使在人

们还未开始对脑进行具体研究之前，就有人注意到，对脑子特定部

位的损伤会导致人体丧失特定的功能。1861年，法国外科医生白

洛嘉通过对尸体脑部的刻苦钻研，发现失语症（不能说话，或不能

听懂语言）患者往往是左大脑某一特定部位受到过损伤，这一区域

因此被称做白洛嘉氏脑回。

接着，在

1870年，两位德国科学家弗里茨和希齐格开始详细

分析脑子各部位的管理功能，他们采取的办法是刺激脑子的各个

部位并观察这些刺激会引起哪些肌肉的反应。半个世纪以后，瑞

士生理学家

W. R.赫斯大大改进了这种研究技术，使之更加精巧，

他因此获得了

1949年的诺贝尔医学与生理学奖。

通过这种方法，人们发现大脑皮质中某一特定的带状区域集

中负责向全身各随意肌发出运动的信号。于是这一带状区域便被

称为运动区。这个区域似乎与身体各部位间有着一种大致反向的

联系。运动区最上面的部位靠近大脑顶部，并负责控制腿最下部

的动作。如果从上到下逐渐刺激运动区，则腿上部、接着是躯干

部、臂、手，最后是颈部和头部的肌肉会逐渐有所反应。

运动区后面的一块脑皮质区负责接收多种感觉信号，并被称

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为感觉区。和运动区的情况一样，大脑皮质中的感觉区似乎也能

分成与身体各部位有反向关系的许多区段。脚部的感觉由感觉区

的顶部接收，从感觉区顶部向下的各个部位依次负责腿部、臀部、

躯干、颈部、臂、手以及手指的感觉，直到感觉区的最下部负责舌的

感觉。感觉区负责唇、舌和手的部位在感觉区所占的比例比起这

些器官在人体中所占的比例要大，这一点也是人们早就意料到的。

除去运动区、感觉区以及主要负责接收从主要感觉器官如眼、

耳等传来的印象的大脑皮质区域，还有一大部分大脑皮质没有任

何确定的和明显的功能。

正是由于大部分大脑皮质没有明显的任务，才出现了有关一

个人“只用了他

1/5的脑子”的说法。这种说法当然是不正确的，我

们充其量只能说人脑只有

1/5的部分具有明显的功能。如果一家

建筑公司在建造一座摩天大楼时只派出

1/5的雇员去竖起钢梁、埋

设电缆、运送设备等等，我们很可能会以为该公司仅有

1/5的人在

工作。这种假定忽略了经理、秘书、档案员、监督员等等。同样地，

脑子的主要部分也是从事一些我们可以称为白领工作的活动，包

括汇集并分析感觉数据，决定对哪些可以不予理会，对哪些需要有

所反应以及具体该做什么反应等等。大脑皮质里有一些不同的联

合区——有的用来处理听觉，有的用来处理视觉，还有的用来做其

他事情。

在考虑过所有这些联合区以后，大脑中还剩下一个区域。这

个区域没有特定的或容易解释的功能，叫做额前叶。由于没有明

显的功能，所以有时也被称为哑区。为治疗脑瘤而进行的大面积

切除额前叶的手术一般不会给患者带来任何特别重大的影响；然

而额前叶肯定不会仅仅是一团无用的神经组织。

人们甚至可以设想额前叶是脑中最重要的部分，因为在人类

神经系统的发展过程中，各种复杂结构一直是在脑的前端不断积

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

累着。这样额前叶很可能是脑中最新进化出来的区域，也就是脑

中最具人类特点的区域。

到了

20世纪

30年代，葡萄牙的外科医生莫尼兹想到，当一个

精神病患者已是山穷水尽的时候，采取切断其额前叶与脑子其他

部位联系的办法可能会对他有所帮助。这样做了以后，患者可能

会失去他以前积累的一部分心理联系（看起来这些心理联系是他

患病的因素），并利用他剩下的那部分脑子重新开始更好的生活。

这项手术称做额前叶切断术，首次临床实践是在

1935年；在一些

应用实例中，它似乎确实对患者有所帮助。莫尼兹因在这方面的

工作与

W. R.赫斯分享了

1949年的诺贝尔医学与生理学奖。但

是，这项手术从未得到广泛的应用，而且现在更是很少有人愿意

做。在很多情况下，用这个办法治疗还不如不治。

大脑实际上分成两个大脑半球。两个半球间由一段坚韧的白

质桥梁联结起来，这段白质叫做胼胝体。在功效上，两个半球是两

个单独的器官，它们通过胼胝体中的神经纤维达到步调一致。这

些神经纤维穿过胼胝体并负责协调两个半球。但是，两个半球本

身依然具备独立行动的能力。

这情况有些像我们的眼睛。在正常情况下，我们的双眼协调

一致地工作。但如果失去了一只眼睛，剩下的一只依然能满足我

们的需要。同样地，切除实验动物的一个大脑半球并不会使它陷

入无脑状态，它的另一个大脑半球会学会独自继续工作下去。

一般来说，每一个大脑半球大体上负责控制身体的一侧：左大

脑半球负责右半边身体，右大脑半球负责左半边身体。如果不损

坏两个大脑半球而切断胼胝体，协调会受到破坏。这时身体两半

边受到两个半球大体上相互独立的控制。可以说这样就会出现所

谓双脑的情况。

有人用猴子做这种实验，并进而对其视神经进行手术以确保

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每只眼睛仅与一侧的大脑半球相连。做过这种处理以后，人们可

以分别训练每只眼睛做特定的事情。比方说，人们可以通过训练

让猴子记住圆圈上加个十字是有食物的记号。如果在训练期间蒙

上猴子的右眼，那么只有左眼能用来通过这种记号寻找食物。如

果此时遮上左眼，放开右眼，猴子会完全不记得训练的过程而只能

用试探摸索的办法寻找食物。如果分别对两眼做相互矛盾的训

练，然后将它们打开，猴子会交替做两种事情，这时它的两个大脑

半球彬彬有礼地轮流值班。

当然，在任何这类“一国两君”的情况下都会有出现矛盾和混

乱的危险。为避免这种危险，在两侧大脑半球正常地联接在一起

时，往往有一侧的大脑半球（对人类成员来说几乎总是左侧半球）

占支配地位。例如，控制语言的白洛嘉氏脑回就在左半球内。知

识区是一个全面的联合区，它在脑中起一种类似最高上诉法院之

类的作用；它也在左半球内。由于大脑左半球负责控制身体右侧

的运动功能，所以大多数人自然惯用右手，这一点毫不奇怪（即使

是惯用左手的人也大都是左侧大脑半球占支配地位）。如果左右

两侧大脑半球谁也不占有明确的支配地位，则会出现两手均运用

自如的情况，而不是明确的惯用左手或惯用右手。这种情况往往

伴有语言障碍，或者还可能有双手动作笨拙不灵的毛病。

近年来流行这样的假设，即脑部两个半球有不同的思考方式。

显然是控制语言的左半球在思考时具有逻辑性、数学性，一步一步

地推导。而右半球则善于直觉、艺术构思和整体思维。

大脑并不是脑的全部。在大脑皮层的下面还埋藏着其他一些

灰质区。这些区域称做基底神经节，其中包括一块称做丘脑的区

域。丘脑（见图

17-2）是各种感觉的接收中心，比较剧烈的感

觉——如疼痛、极热或极冷、或是猛烈的接触——会被过滤掉。而

来自肌肉的比较柔和的感觉——如轻柔的接触和适度的温度——

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

则会通过丘脑传到大脑皮质的感觉区去。就好像可以把柔和的感

觉信号托付给皮质，在那里它们能够得到审慎的考虑。经过一段

或长或短的考虑时间后，皮质会发出反应的信号。但是，对剧烈的

感觉必须迅速做出反应，没有时间考虑。这类感觉大体上是由丘

脑自动处理的。

丘脑下面是下丘脑，它是控制身体用的各种设施的中心。身

体的食欲中枢就在下丘脑内，在本书第十五章里提到过食欲中枢

是控制食欲的；身体的温度控制机构也在下丘脑内。另外，脑对脑

下垂体的工作至少能施加一些影响，而这也是通过下丘脑进行的

（见第十五章）；这正好表明，通过这种方式身体的神经控制机构和

化学控制机构（激素）可以联合起来形成一个总的监控势力。

1954年，生理学家

J. 奥尔兹发现了下丘脑的另一个相当惊人

的功能。当下丘脑中的某一区域受到刺激时，似乎能引起一种强

烈的快感。如果在一只大白鼠的快感中枢里植入一只电极并使大

白鼠自己能够激发这只电极，大白鼠将会以每小时

8 000次的频

率连续激发电极，每次持续许多小时甚至许多天，不进食、不交配、

不睡觉。显然，生活中一切美好的事情之所以合心合意都是因为

它们能对快感中枢引起刺激。如果能对快感中枢直接进行刺激则

一切其他事情都变得没有意思了。

下丘脑内还有一个区域与清醒-睡眠周期有关，因为如果动物

的这个区域部分受损会引起类似睡眠的状态。目前尚未弄清下丘

脑是通过什么机制完成它这项功能的。有一种理论认为，它向大

脑皮质发出信号，而皮质接到信号后再发回来，如此两者互相刺

激。经过一段持续的清醒以后，两者间会变得不协调，信号的振荡

变得不均匀，这时产生睡意。一个剧烈的刺激（强烈的噪声，持续

摇动睡觉人的肩膀，或是一个连续的噪声突然中断等）会使人醒

来。如果没有这类刺激，下丘脑和皮质间的协调最终会逐渐恢复、

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而睡眠会自动停止。也可能睡眠会变得很浅，以至于周围环境中

无处不在的很普通的刺激也足以使人醒来。

睡眠过程中，人会做梦。梦是由一些大体上与现实脱离的感

觉材料组成的。做梦似乎是一种普遍的现象。那些自称睡觉时没

有做梦的人只不过是没能记住他们所做的梦罢了。美国生理学家

德门特在

1952年研究人的睡眠期间，注意到了在睡眠中有眼球快

速移动的阶段。这种眼球快速移动有时会持续许多分钟（快速眼

动睡眠）。在快速眼动睡眠期间，人的呼吸、心跳和血压都上升到

清醒时的水平。这种睡眠状态大约占总睡眠时间的

1/4。如果在

快速眼动睡眠期间将睡眠者叫醒，他一般都会说刚才他正在做梦。

另外，如果一个人总是在快速眼动睡眠期间被吵醒，他就会逐渐开

始出现心理紊乱的症状。如果睡眠连续多夜受到干扰，则他心理

紊乱的时间会成倍增加，就像是要补回失去的做梦时间一样。

这样看来，做梦对于脑的工作有重要功能。有人认为，脑在做

梦时一一整理白天发生的事情，将不重要的和重复性的东西除去，

以免这些东西把脑子搞乱并降低脑子的工作效率。睡眠时间最适

于完成这种工作，因为这时脑子不用去执行清醒时所承担的许多

任务。如果由于中途被打断而没能完成这项工作，则有可能阻塞

脑子的正常运转，以至于脑子在不睡眠时也要试图进行清理工作，

结果产生幻觉（也可以说就是醒着做梦）和其他不适的症状。自

然，人们很可能会想到也许这正是睡眠的主要原因，因为从睡眠中

得到的肉体上的休息几乎都可以通过在清醒状态下安静地歇着的

方法来获得。甚至婴儿也有快速眼动睡眠。虽然婴儿想来不会有

什么梦可做，他们还是有一半的睡眠时间是花在快速眼动睡眠上。

快速眼动睡眠可能对神经系统的发育有所帮助。（除人类以外，在

其他的哺乳动物中也曾观察到快速眼动睡眠的现象。）

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

脊髓

大脑下面是尺寸较小的小脑（也分成两个小脑半球）和脑干，

脑干向下逐渐变细并平滑过渡到脊髓。脊髓在脊柱的空心中向下

延伸，共长约

460毫米。

脊髓是由中间的灰质和它周围的白质所组成的；它上面连结

着一系列的神经。这些神经大都与内脏有关——如心脏、肺、消化

系统等等，这类内脏器官大体上都不受随意控制。

通常，如果由于疾病或创伤脊髓被切断，则处在截断的那一段

脊髓以下的身体部分可以说就失去联络了。这部分身体不再有知

觉，而且还会瘫痪。如果脊髓在颈部断开，则会引起死亡。因为此

时胸部瘫痪，肺部停止活动。正是由于这个原因，脖子断了人就会

死；也是由于这个原因，绞刑成了一种快速致死的刑法。致死的原

因是脊髓断了，而不是骨折。

中枢神经系统由大脑、小脑、脑干和脊髓组成，它的整个结构

严密协调。脊髓的白质由成束的神经纤维组成，这些神经纤维束

从上到下贯穿整个脊髓，将全部脊髓联成一个整体。从脑子向下

传导神经脉冲的纤维束称做下行纤维束，而负责将神经脉冲向上

传到脑子的纤维束则称做上行纤维束。

1964年，克利夫兰都市综合医院的研究专家们报告说，他们

将恒河猴的脑与身体其他部分分离开，然后设法使分离下来的猴

脑独立存活最长达

18个小时之久。这样，通过比较进入分离下来

的脑血管的营养液体和从脑血管中流出的液体，就有可能详细而

具体地研究脑的新陈代谢。

1965年，研究专家们将狗头移植到其他狗的脖子上，接上血

管，使移植来的狗头能接受寄主的血液供应。这样移植的狗头中

的脑子，最长的存活并持续工作了两天。到了

1966年，专家们又

将狗脑冷冻使其温度降到接近冰点，然后再使它们恢复到明确显

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示正常的化学活性和电活性的地步。显然，脑子不像一般人所想

象的那么脆弱。

神经活动

由神经连结在一起的不仅仅是中枢神经系统的各个部分，整

个身体都通过这种方式受该系统的控制。神经在肌肉、腺体和皮

肤中纵横交错；甚至连齿髓里面也有神经（每次牙痛都提醒我们这

一点）。古时候人们就已经观察到神经了，但是它们的结构和功能

却一直为人们所误解。人们一直以为它们是中空的，功能是作为

一种微妙的流体的通道，这种看法一直持续到近代。加伦所创立

的相当复杂的理论认为，人体中共有三种各不相同的流体，分别在

静脉、动脉和神经中流动。神经中的流体一般称做元气（或血气），

它是三种流体中最纯净的一种。伽伐尼发现可以用放电的方法刺

激神经和肌肉，这一发现为以后的一系列研究奠定了基础。这些

研究最终证明了神经活动与电有关——电可真是一种微妙的流

体，比加伦所想象的还要微妙得多。

在

19世纪初，德国生理学家

J. P.弥勒第一个进行了有关神

经作用的具体研究。他的诸多贡献包括证明不论刺激的性质如

何，感觉神经总是制造出它们自己专管的感觉信号。这样，不论刺

激是来自实际光源还是来自对眼睛的一记机械击打，视神经都会

记录下一道闪光。（眼睛被击打后，人会感到“眼冒金星”。）这就是

说我们和外界之间的联系根本不是与现实的直接接触，而是通过

一些特化的刺激完成的。我们的脑子在一般情况下对这些刺激会

做出有用的解释，但也有可能对它们做出无用的解释。

第十七章 头 脑

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对神经的研究在

1873年有了重大的进展。当时意大利生理

学家戈尔吉发明了一种含有银盐的细胞染色剂。这种染色剂很适

合与神经细胞反应，因而能清晰展示神经细胞的细微结构。通过

这种方式，他观察到神经是由单独的、分立的细胞所组成的。一个

细胞的突起可能会非常接近另一个细胞的突起，但是它们并不完

全融合在一起。在它们之间还有突触的微小间隔。这样，戈尔吉

的观察证实了德国解剖学家瓦尔德尔有关整个神经系统都是由诸

多单独的神经细胞或神经元所组成的主张（这一主张称做神经元

学说）。

但是，戈尔吉本人并不赞成神经元学说。进一步证实这个学

说的工作是由西班牙神经病学家拉蒙-卡哈尔完成的。

1889年，

拉蒙-卡哈尔采用一种改进的戈尔吉染色剂搞清了脑和脊髓中灰

质细胞之间的联系，并完全建立了神经元学说，虽然戈尔吉和拉

蒙-卡哈尔对于各人发现中的一些细节问题互有争论，他们还是因

各自的贡献分享了

1906年的诺贝尔医学与生理学奖。

这些神经组成了两个系统，即交感神经系统和副交感神经系

统。（这些名词来源于很早以前加伦半神话的模糊概念）。这两个

系统几乎对所有内脏器官都有影响，并对这些器官起着截然相反

的作用。例如，交感神经的作用使心跳加快，而副交感神经则使之

变缓；交感神经使消化液分泌减慢，而副交感神经则刺激消化液的

分泌，等等。这样，脊髓和脑部大脑以下的部分一道自动地调节各

器官的工作。英国生理学家

J. N. 兰利在

19世纪

90年代详细研

究了这一套不随意的调节系统，并将其命名为自主神经系统。

反射作用

19世纪

30年代，英国生理学家

M. 霍尔对另外一种行为进行

了研究。这种行为表面上看来有随意的方面，但最终证明实际上

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是相当不随意的。当你的手不慎碰到一个烫的东西时，会马上缩

回来，如果这种灼热的感觉必须送到脑部，在那里经过思考和解

释，然后才能向手发出适当的命令，那么当手收到这个命令时恐怕

已被烧得很惨了。不会思考的脊髓能完全自动地处理这个问题，

这就快得多了。霍尔第一个将这种过程称做反射。

反射是由两个或更多的神经协调完成的，这些神经形成了一

个反射弧（图 17-3）。最简单的反射弧由两个神经元组成：一个

是感觉神经元（它将感觉信号传到神经中枢里某个反射中枢那里，

一般来说反射中枢大都分布在脊髓中）；另一个是运动神经元（其

作用是从中枢神经系统向外传递运动的指令）。这两个神经元有

可能是通过一个或多个中间神经元连接起来的。英国神经病学家

谢灵顿对这类反射弧及其在身体中的作用进行了细致的研究，并

因此与别人分享了 1932年的诺贝尔医学与生理学奖。正是谢灵

顿在 1897年创造了突触一词。

图 17-3 反射弧

反射的存在使身体对某一特定的刺激有迅速而肯定的反应。

根据这一特点，人们可以采用一些简单的方法检查神经系统总体

上是否完善。一个比较熟悉的例子就是膝反射。当一个人膝盖弯

第十七章 头 脑

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曲、两腿交叉地坐着时，突然叩击放在上面的那条腿的膝盖下面会

使这条腿迅速向前踢出。德国神经病学家韦斯特法尔于

1875年

首次使医学界注意到了这个现象。膝反射本身并不重要，但如果

一个人没有膝反射则意味着他体内包含膝反射弧的那部分神经组

织严重失调。

有时中枢神经系统的一部分受损以后，会产生某种不正常的

反射现象。对搔挠脚底的正常反射是脚趾并拢并向下弯曲。如果

中枢神经系统受到了某些类型的损坏，则会使对这种刺激的反应

变为大脚趾向上弯曲，而其他四趾在向下弯曲的同时分散叉开。

这就是巴彬斯基反射，法国神经病学家巴彬斯基于

1896年首次描

述了这种反射。

人类的反射作用有时绝对服从于人的意志。这样，在正常反

射会使呼吸频率下降的情况下，一个人只要愿意就可以人为地提

高呼吸频率，等等。属于较低级的门的动物比起人类来要受到反

射作用更严格的控制，它们的反射也比人类的发达得多。

最好的例证之一就是蜘蛛织网。这里反射作用产生出如此复

杂的行为模式，以至于很难想象这只是反射作用，故人们一般把这

种行为叫做本能行为。（由于本能这个词常被误用，生物学家们更

喜欢采用天生行为这个术语。）可以说蜘蛛生来就有一套神经线路

系统，其中的所有开关位置可以说是事先定好了的。某个特定的

刺激促使它开始织网，而织网过程中的每一步动作都作为刺激引

起下一步动作。

看着构造复杂的蛛网，并考虑到蜘蛛织网时显示的绝妙的精

确性以及蛛网完成其特定功能的效力，我们几乎不可能相信蜘蛛

丝毫不具备任何智力，然而，蜘蛛如此完美地完成这项复杂任务并

且每次的做法都完全相同，这一点本身就证明了智力与这件事毫

无关系。审慎的思考必然包括迟疑和对各种方案的权衡，因此有

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意识的智力活动必然会给各次建造带来缺陷和差异。

随着智力的增加，动物越来越倾向于失去本能和天生技巧。

毫无疑问，这使它们失去了一些有价值的东西。一只蜘蛛第一次

实践就能完美地织出它那惊人复杂的网，虽然它以前从未见过网

是怎么织的，甚至从未见过网。另一方面，人生下来时几乎无任何

技艺和能力。一个新生婴儿会自动吸吮乳头，饿了会哭叫，还能在

即将跌落时抓紧周围的物体以保护自己的性命，但基本上不会做

任何别的事。每一位父母都知道孩子学会哪怕是最简单的适当行

为要经历多少磨难。然而，一只蜘蛛或昆虫虽然生下来就是完美

的，却终生不能偏离这种完美。蜘蛛会编织美妙的网，但是如果由

于某种环境原因，使它所注定会编的那种网无用武之地，它也没有

能力学会编织另一种网。另一方面，一个孩子却由于不会受到与

生俱来的完美的束缚而获得巨大的好处。一个人可能会学得很

慢，并且在最佳情况下也达不到完美的境界，但是他可以在他自己

的选择中达到多种不完美的境界。人类丢失的是便利和安全，得

到的是几乎无限的灵活性。

但是，近年来的研究结果表明，在天生的和后天学会的行为之

间并不是总有一条清晰的分界线。人类的情况是这样，比人低等

的动物也是这样。例如，通过粗略观察，似乎能得出这样的结论，

即刚出壳的小鸡或小鸭会出自本能地跟随它们的母亲。但通过更

仔细的观察人们会发现并非如此。

它们的本能并不是跟随它们的母亲，而只不过是跟随某种具

有特定的形状和颜色或能够运动的东西。不论什么物体，只要在

这些小动物生命早期的某一特定的阶段提供了这种感觉，就会在

那以后被它们当作母亲来对待。这物体可能真的就是它们的母

亲，事实上几乎总是这样，但并不是说必然会如此。换句话说，跟

随是本能的，但所跟随的“母亲”则是通过学习才认识到的。（这一

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

点的发现主要应归功于奥地利博物学家

K. Z. 洛伦茨。大约

30年

前，这位了不起的科学家在进行这方面的研究时，有一个时期不论

走到哪里，身后总是跟着一群小鹅。）

对在生活的某一特定时期遇到的某一特定刺激的反应所确立

的某种固定的行为方式叫做印记。印记发生的特定时期叫做关键

期。对于小鸡来说，母亲印记的关键期是在孵化后

13至

16小时

之间。对于小狗来说，则是在出生后

3至

7周之间有一个关键期。

这一期间一只小狗遇到的各种刺激，会形成我们所认为的正常狗

类行为的印记。

印记是最原始的后天学会的行为。这种行为是在一个非常有

限的时期内，在一整套非常一般性的条件下，以极为自动的方式发

生的，因此它很容易被误认为是本能。

印记的一个符合逻辑的原因是它提供了一定的合乎需要的灵

活性。如果一只小鸡生来就有辨别它真正母亲的某种本能以便只

去跟随它的母亲，而它的母亲又刚好由于某种原因在小鸡出壳后

的第一天便不在它身边，那么小鸡就会无依无靠了。事实上，有关

母亲的问题在最初几个小时之内没有固定的答案，小鸡可以使自

己接受附近任何母鸡的印记，从而为自己找到一个养母。

电脉冲

如前所述，伽伐尼在

18世纪末所做的实验第一次表明了肌肉

和神经的活动与电之间有着某种联系。

由于荷兰生理学家埃因托芬的工作，肌肉的电特性引出了一

项惊人的实用医疗方法。1903年，他制作了一个极其灵敏的电流

计。这个电流计灵敏得足以随着心脏跳动所产生的细微电位变化

而波动。到了

1906年，埃因托芬已经在记录这个电位的波峰和波

谷（这种记录就是心电图）并研究它们同各种心脏疾病之间的关系

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了。

神经脉冲的电特性比肌肉的电特性更微妙。以前人们认为这

种电特性是通过神经内部的化学变化产生与传播的。

19世纪德

国生理学家杜布瓦-雷蒙通过实验观察证实了这种猜想。他使用

灵敏的电流计观测到了受刺激的神经中的微小电流。

借助现代电子仪器，对神经电特性的研究已达到了不可思议

的精密程度。通过在神经纤维的不同位置上安放微小电极并使用

示波器观察放电现象，可以测出一个神经脉冲的强度、持续时间、

传播速度等等。美国生理学家厄兰格和加塞由于在这方面有所贡

献而获得了

1944年的诺贝尔医学与生理学奖。

如果向一个单一的神经细胞施加一连串微小的电脉冲并逐渐

加大脉冲强度，则在脉冲强度达到某一特定水平之前神经细胞会

毫无反应。然后神经细胞会突然击发：一个脉冲突然出现并沿着

神经纤维传导下去。神经细胞有一个阈值：如果刺激低于阈值，神

经细胞不会有所反应；而对于任何高于阈值的刺激，它的反应都是

一个具有某一固定强度的脉冲。换句话说，这是一种“要么全部，

要么没有”的反应。而且在所有的神经中由刺激引起的脉冲好像

都具有相同的性质。

这样一个到处都一样的、简单的“是或非”的结构怎么可能产

生出复杂的视觉或拉小提琴的动作中所含的复杂的手指反应呢？

事情可能是这样的：一个神经，例如视神经，含有许多条纤维。这

些纤维中可能有一些在击发而另一些却没有击发。而击发有可能

是一连串地快速进行，也可能是缓慢进行。这就形成了一种图样。

这种图样可能还很复杂，并随着总刺激的变化而连续变化着。（英

国生理学家艾德里安由于在这个领域里的工作，与谢灵顿分享了

1932年的诺贝尔医学与生理学奖。）脑可以对这个不断变化的图

样进行连续扫描并对它做出解释。但是，没有人知道解释是如何

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

做出的，也没人知道一个图样是怎样变成肌肉收缩或腺体分泌之

类的行动的。

神经细胞的击发似乎是由离子移动穿过细胞膜引起的。在正

常情况下，细胞内部的钾离子较多而细胞外有较多的钠离子。细

胞通过某种未知的方式把钾离子包围在内而将钠离子排斥在外。

这就造成了细胞膜两侧这两种离子的浓度不平衡。现在一般认为

细胞内有某种钠泵在不断地将钠离子排出，进来多少就排出去多

少。无论如何，这种浓度不平衡在细胞膜两侧造成了大约

0.1伏

的电位差，细胞膜内的电位低于膜外的电位。当神经细胞受到刺

激时，细胞膜两侧的电位差会崩溃，这就是细胞的击发。重新建立

电位差需要一两毫秒的时间，在这段时间内，神经不会对另一个刺

激做出反应。这段时间叫做不应期。

细胞一旦击发，神经脉冲就会通过一系列击发沿纤维传下去。

每一段纤维负责激活下一段纤维。脉冲只能向前方传递，这是因

为刚击发过的那一段纤维需要经过一个休息间隔以后才能再度击

发。

由于参与了有关上述神经活动和离子渗透性方面的研究，两

位英国生理学家

A. L. 霍奇金和

A. F.赫胥黎，以及一位澳大利亚

生理学家埃克尔斯分享了

1963年的诺贝尔医学与生理学奖。

但是，当沿着纤维行进的脉冲遇到一个突触（即两个相邻的神

经细胞之间的间隔）时，又会发生什么事情呢？神经脉冲似乎还包

括产生一种化学物质，这种化学物质能漂过这一间隔并在下一个

神经细胞里引起一个神经脉冲。这样，脉冲就能从一个细胞传到

另一个细胞。

肾上腺素这种激素是已确知的对神经有影响的化学物质之

一。肾上腺素能对交感神经系统起作用，交感神经系统的功能是

减缓消化活动以及加快呼吸和心跳频率。愤怒或恐惧使肾上腺分

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泌这种激素，这种激素对交感神经系统的刺激引起血液流动迅速

加快，全身组织供氧量增加；同时，通过减缓消化活动，在紧急情况

期间节省了能量。

美国心理学家、警官拉森和

L. 基勒在

1921年利用这一发现

设计了一种仪器，这种仪器能检测感情引起的血压、脉搏、呼吸频

率和排汗等方面的变化。这个设备叫做多种波动描记仪。它能检

测出说谎所包含的感情上的努力，因为任何比较正常的人在说谎

时都会害怕被发现，这就会导致肾上腺素的分泌。虽然多种波动

描记仪远没达到确实可靠的地步，但作为测谎器它还是早已闻名

遐迩。

在正常情况下，交感神经系统的神经末梢本身会分泌一种叫

做去甲肾上腺素的化合物。这种化合物很像肾上腺素，它的作用

是将神经脉冲传过突触的间隔，通过刺激间隔另一侧的神经末梢

把信息传递过去。

在

20世纪

20年代初，英国生理学家戴尔和德国生理学家勒

韦（他们两人后来分享了

1930年的诺贝尔医学与生理学奖）对另

一种化学物质进行了研究。这种化学物质在不是交感神经系统的

神经里起将神经脉冲传过突触的作用，它就是乙酰胆碱。现在人

们相信乙酰胆碱不但在突触中起作用，而且还参与了神经脉冲在

神经纤维本体上的传导工作。乙酰胆碱的作用可能与钠泵有关。

无论如何，神经纤维中好像时时刻刻都有这种物质生成，然后又很

快地被一种叫做胆碱酯酶的酶分解掉。任何抑制胆碱酯酶作用的

东西都会打乱这一化学循环并终止神经脉冲的传输。现在称为神

经毒气的致命物质就是一些胆碱酯酶抑制剂。通过阻止神经脉冲

的传导，它们能导致心脏停跳而在数分钟内引起死亡。这类东西

在战争中的用途是很明显的。它们还有一个不那么不道德的用

途，就是作杀虫剂。

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

局部麻醉剂也有对胆碱酯酶的抑制作用，不过不像神经毒气

那么激烈。麻醉剂通过抑制胆碱酯酶而达到暂时停止传递和疼痛

有关的神经脉冲的目的。

由于神经脉冲传导时的电流的变化，我们可以在某种程度上

“解释”脑的活动，虽然至今还没人能完全弄懂脑电波到底在说什

么。1929年，德国精神病学家伯杰在一篇文章中报告了早些时候

的研究工作。他曾在头部的各个部位安放了电极并检测到了有节

奏的电波活动。

伯杰把最明显的节奏叫做

α波。它的电位变化大约在

20微

伏左右，频率大约为每秒

10次。当被测试者闭目休息时

α波最为

清晰明显。在睁眼看着没什么特色的光源时，

α波依然存在。但

是，如果看到了千变万化的环境景物，则

α波会消失或被其他更为

突出的节奏所淹没。过一段时间以后，如果视野中没出现什么新

的景物，则

α波又会重新出现。除去

α波以外，其他类型的波还有

β波、δ波和

θ波。

脑电图（简写作

EEG）从那以后得到了广泛的研究。这些研

究表明每人都有他或她自己的波型，这些波型还会随着人的兴奋

和睡眠状况而变化。虽然脑电图还远不能被用来“探测思想”或跟

踪智慧的机制，但它确实能帮助诊断脑功能的重大损坏，特别是癫

痫病。它还能帮助寻找脑部受损的具体部位或脑肿瘤的位置。

到了

20世纪

60年代，人们开始在这项研究工作中使用专门

设计的计算机。如果受测试者在测试中感受到周围环境中的一个

很小的变化，那么不妨假设他的脑子会对这个变化有所反应，表现

为在变化发生的时候，脑电图的波型会发生微小的变动。但是脑

子在当时一定还在做其他的事情，因此脑电图的这一微小变化应

该是很难察觉的。不过，如果一次次地重复这个实验，我们就能利

用计算机求平均值的方法将干扰消掉，从而得到每次都出现的微

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小变动。

到了

1964年，美国心理学家克莱因斯报告说，他在研究中采

用了非常精密的分析方法，因而能够仅通过对脑电图波型的研究

就推断出测试对象当时看见的是什么颜色。英国神经生理学家沃

尔特也报告了一种似乎是学习过程所特有的脑信号波型。当测试

对象有理由认为他或她就要收到某种需要以思考或行动作为反应

的刺激信号时，就会出现这种波型。沃尔特将这种波型称做期待

波，并且指出

3岁以下的婴幼儿和某些精神病患者没有这种波型。

1965年又有人报告了这些现象的逆现象，即由直接对脑部进行电

刺激以引发身体上的某种特定的行动。耶鲁大学的德尔加多通过

无线电信号传送电刺激，以操纵实验动物，使它们根据命令行走、

攀登、打哈欠、睡眠、交配以及变换情绪等等。最惊人的是，他竟能

让一头猛冲而来的公牛突然停止攻击，并安详地小跑走开。

人类的行为

与诸如行星的运动或光的性质之类的物理现象不同，生物的

行为至今还不能用一套严格的自然法则来描述，而且很可能永远

也找不到这样的法则。因而有很多人坚持认为，有关人类行为的

研究永远也不会成为一门真正的科学，他们认为真正的科学应该

能根据一些放之四海而皆准的自然法则来解释或推测在任何给定

情况下的行为。然而生命还是服从自然规律的，而且也可以说，如

果所有的因素都是已知的，则生命行为也能完全解释。问题就在

于“所有因素都已知”这句话。有关的因素太多也太复杂，不大可

能都成为已知的。但是，我们也不必绝望地以为再也不能进一步

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

完善对我们自己的了解了。对于我们自己智力方面的种种复杂问

题，还是有很大的增进了解的余地的。而且即使我们永远也走不

到路的尽头，还是应该希望向前走得越远越好。

不但有关人类行为的问题本身非常复杂，而且对这个问题的

研究也起步较晚。物理学于

1600年进入了成年期，化学也在

1775年长大成人，而复杂得多的实验心理学方面的研究到了

1879

年才刚刚起步。那一年德国心理学家冯特建立了第一个人类行为

问题的专业科研实验室。冯特本人的研究兴趣主要集中在感觉以

及人们如何察觉周围环境的细节等方面。

几乎在同一时期，另一种对人类行为的研究也兴起了。这种

研究是针对一种特定的应用而进行的，它把每个人都看作是工业

上不可缺少却又完全受摆布的小零件。在

1881年，美国工程师

F. W.泰勒着手测量做某些工作所需的时间并考虑工作应该如何

安排才能使所需的时间最短。他是第一位效率专家。就像所有其

他的只关心时间的效率专家一样，他并没受到工人们的欢迎。

但是，当我们一步步地研究人类行为时（不论这种研究是在实

验室里人为安排的条件下还是在工厂里以实地观察的方式进行

的），就像是在研究一部精密机器的运行机制，而手头可利用的工

具却粗劣不堪。

在简单的生物体中我们能看到一种叫做向性（源自希腊语，意

思是“转向”）的直接、自动的反应。植物有向光性（“转向光源”）、

向水性（“转向水源”，这种情况出现在根系中）和向化性（“转向某

些特定的化学物质”）。许多动物，从原生动物到蚂蚁，也具有向化

的特性。现在已经知道某些飞蛾会飞向一个远在

3公里以外的气

味源。一只有向光性的蛾子甚至会飞到烛火中去，这说明向性是

完全自动的。

本章前面提到的反射似乎不比向性进步多少。前面还提到过

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印记，它体现了学习，但是这种学习实在是太机械了，很难称得上

“学习”二字。但是反射和印记都不是只有低级动物才特有的性

质，这两者人类都有一份。

条件反射

婴儿一生下来就会紧紧抓住碰到他手掌的手指，还会吮吸放

到他嘴边的乳头。很明显，这两种本能的意义在于避免跌落和挨

饿。

看来，婴儿不可避免地还会接受印记。当然，对这一点是不宜

做实验研究的，但是，可以通过偶然碰到的机会进行观察而获取这

方面的知识。孩子如果在牙牙学语的阶段听不到实际交谈的声

音，则以后有可能学不会说话或最终说话能力低于常人。在管理

人员缺乏人情味的孤儿院里长大的孩子往往会变成可悲的小东

西。在那种地方他们吃得饱，生理上的要求也都能得到满足，只是

没人来爱抚、拥抱和逗弄他们。他们的智力和身体发育大受阻碍，

甚至会夭折，除去缺乏母亲般的照管以外，找不出别的明显原因。

缺乏母亲般的照管是指没有能够引起必要行为模式印记的适当刺

激。同样，小孩也需要和有其他孩子做伴时产生的各种刺激。如

果在孩子生长的某些关键期内不适当地剥夺他们接受这类刺激的

机会，则会使他们在性格上出现这样或那样的畸变。

当然，我们可以争辩说反射和印记只有对婴儿才重要。当一个

人成年以后，他就会成为一个有理智的人，他的反应也将不再仅

仅是机械的反应了。但是果真如此吗？换种说法：我们喜欢认为

自己拥有自由意志，这种想法是否真的正确？还是说在某些方面

我们的行为是完全受刺激控制的，就像我上面讲到的德尔加多实

验里的公牛一样？

人们可以站在哲学或神学的立场上辩解说自由意志的确存

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

在，但是我从未听说有谁通过实验证明了这一点。想通过实验演

示与自由意志截然相反的决定论，也不是一件容易的事情。但是，

确实有人尝试过这方面的工作。最著名的莫过于俄国生理学家巴

甫洛夫了。

巴甫洛夫最初是对消化机制感兴趣。在

19世纪

80年代，他

发现只要将食物一放到狗的舌头上，胃里就会开始分泌消化液。

即使食物永远也到不了胃里，还是会有胃液分泌出来。但是如果

在胃的附近将迷走神经（该神经从延髓通往消化道的各个部分）切

断，则这种分泌就会停止。由于他在消化生理学方面的工作，巴甫

洛夫获得了

1904年的诺贝尔医学与生理学奖。但是和其他一些

诺贝尔奖获得者（著名的如

P.埃尔利希和爱因斯坦）一样，巴甫洛

夫在得奖后继续深入研究工作，并取得了更加重要的成果。

他决定对分泌的自动或反射性质进行深入研究，并选择了唾

液的分泌作为一个简便的、易于观察的例子。狗（人也差不多一

样）嗅到或看到食物时就会流口水。巴甫洛夫在每次将食物放到

狗面前时摇一下铃，最后，经过

20到

40次这种训练，狗在面前并

无食物的情况下听到铃声就流口水。现在在狗脑中已建立起了一

个心理联系，使铃声传入大脑的神经脉冲和代表食物外观和气味

的神经脉冲具有同样的作用了。

1903年，巴甫洛夫发明了条件反射这个术语以描述这类现

象，流口水的反应就是条件反射。不管愿不愿意，狗一听见铃响就

会流口水，就像看见了食物一样。当然，条件反射还能被擦掉。例

如，通过多次摇铃后不给食物而给以轻微电击的方法就能破坏上

述条件反射。最终，狗听到铃声时不会再流口水，而是做因疼痛而

退缩的动作，即使没受到电击也是一样。

后来，巴甫洛夫又进一步迫使狗做出一些微妙的选择。他把

圆形光斑和食物联系起来，又把椭圆形光斑和电击联系起来。狗

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能把两者区别开来。但是当他把椭圆光斑的形状变得越来越接近

圆形时，两者就越来越难于区别了。最终，狗陷入了痛苦的犹豫不

决状态，并出现了神经衰弱的症状。

这样，条件实验成了心理学的一件有力的工具。在这种实验

中，动物有时几乎能和实验者交谈。由于有了这项技术，我们今天

有可能深入研究各种动物的学习能力、本能、视觉能力、辨别颜色

的能力等等。奥地利博物学家

K. 弗里施在这方面所做的研究工

作非同凡响。他训练一些蜜蜂到放在特定地方的碟子里去觅食，

发现这些出来觅食的蜜蜂很快将食物的方位告知了它们窝里的其

他蜜蜂。通过这些实验

K. 弗里施发现蜜蜂能区分某些颜色——

包括紫外光区的颜色，但不包括红色；通过在蜂窝上的舞蹈，蜜蜂

能互通有关这些颜色的消息；舞蹈的种类和活跃程度表明食物碟

相对于蜂巢的方向和距离，甚至还能说明食物总量的多少。他还

发现蜜蜂能通过天空中光的偏振性来定向。K. 弗里施有关蜜蜂

语言的惊人发现开创了动物行为研究的一个新领域。

理论上，任何学习都可以看作是由条件反射所组成的。例如，

就学习打字来说，一个人开始时眼总不离打字机键盘，然后就逐渐

地用某些自动的手指动作代替视觉去选择合适的键。于是想到字

母

k就会引起右手中指的某一特定的运动，而想到

the这个词时

左手食指、右手食指和左手中指就会按顺序击打键盘上的某些键。

这些反应并不包含任何有意识的思考。最终一个熟练的打字员还

得停下来想才能回忆起字母的具体位置。我本人打字很快而且打

字动作是完全机械的，如果有人问我字母

f在键盘上什么位置，在

不看键盘的情况下我只有举手在空中做打字的动作，看看到底是

哪一个指头打出了

f。只有我的手指知道键盘的情况，我有意识

的头脑则早已把它忘光了。

更复杂的学习，如阅读和拉小提琴，也符合同样的原理。不然

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

的话，为什么这页纸上的

CRAYON（英语“蜡笔”）这个印刷符号会

在一个懂英语的人的脑中产生一个有色蜡笔的形象和代表某个词

的声音呢？我们不必去一个个字母地拼读，也不必搜肠刮肚地回

忆这个符号可能包含的信息，经过以前学认字时一遍遍的条件作

用，现在会自动地由符号联想到东西本身。

在本世纪初叶，美国心理学家

J. B. 沃森在条件作用的基础上

建立了一整套关于人类行为的理论，叫做行为主义。J. B. 沃森甚

至提出人们不能有意识地控制自己的行为，行为完全是由条件作

用所决定的。虽然他的理论有一段时间颇为流行，但却没有得到

心理学界的广泛支持。首先，即使这种理论基本上是正确的，即行

为确实只取决于条件作用，行为主义在令我们最感兴趣的人类行

为方面还是没有启发作用。我们最感兴趣的方面包括创造力、艺

术能力、是非感等等。想找出所有的条件作用的影响，并以某种可

度量的方式将这些影响与思想及信仰模式联系起来是不可能的。

而任何不可度量的东西都不能作为真正科学研究的对象。

其次，条件作用和直觉一类的过程有什么关系呢？头脑突然

将以前毫无联系的两个想法或两件事合在一起，好像是全凭巧合，

结果创造出一个全新的想法或反应。

猫和狗可以通过反复试探的过程找到解决某个问题（比如如

何扳动一个把手以打开门）的方法。它们可能会毫无规律地乱闯，

直到它们的某个动作碰开了把手为止。如果再让它们重复这件

事，上次成功动作的模糊记忆可能会帮助它们早一点打开门；再重

复的话还会更快一些，直到最后它们会直接去拨动把手。动物的

智力越强，从纯粹试探进展到有目的的行动所需的尝试次数就越

少。

到了人的水平，记忆力可就强多了。一枚硬币落到地板上，一

个人也可能会毫无规律地向地上瞥几眼以找到它；但是根据从前

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的经验他更可能会留心看一看他以前曾找到过硬币的地方，或是

向声音的方向看一眼，还可能会对整个地板系统地扫视一遍。同

样，如果一个人被关在一个地方，他也可能会乱踢乱打墙壁以图逃

跑；但是他应该知道一扇门会是什么样子，因而更会集中精力寻找

门。

总之，人可以通过利用多年的经验以简化试探过程，并迅速将

其从思想转化为行动。在寻找解答时，可能不必有所动作，只要思

考该做的事就可以了。这种奇妙的试探过程叫做推理，这种事并

不是只有人类成员才会做。

猿的行为模式比起我们人类来要简单些，而且更为机械。但

它们有时也会表现出某种自发的洞察力，这也可以在某种程度上

称做理智。第一次世界大战爆发后，德国心理学家克勒被困在当

时非洲的一个德国殖民地，在此期间他完成了一系列有关黑猩猩

的著名实验，并发现了一些猿类洞察力的惊人例证。一次，一只黑

猩猩在用一根不够长的棍子够香蕉而徒劳无功后，突然拾起实验

者有意放在附近的另一条竹棍，接到原来的棍子上，从而把香蕉拨

到可以拿到的地方。还有一次，一只黑猩猩把一个箱子拎到另一

个箱子上以便够到上面挂着的香蕉。这些黑猩猩以前从未有过会

产生这些心理联系的训练和经历，看来这些行动都是它们灵机一

动的产物。

克勒认为学习应包含一个过程的全部模式，而不是它的零散

部分。他是心理学格式塔学派的创始人之一。（格式塔的德文原

意即为“完整模式”。）

黑猩猩和其他大型猿类动物在外观和行为上都非常像人类，

因而一直有人试着将幼猿和婴儿一同养大，看看幼猿到多大就会

落后于孩子。开始，小猿成熟得较快因而比小孩领先。但是，从小

孩开始学说话起，猿就永远落后了。它们缺乏相当于白洛嘉氏脑

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

回的机构。

然而在野外，黑猩猩不但能通过少数声音而且还能通过手势

来互相交流。1966年，内华达大学的

B. 加德纳和

A. 加德纳夫妇

开始试图教一只叫瓦肖（

Washoe）的一岁半大的雌性黑猩猩练习

手语。结果令他们喜出望外。瓦肖学会了几十种手势，既能正确

地运用它们，又能毫不费力地理解它们的意思。

别人也开始向别的黑猩猩——还有幼大猩猩——教授手语。

随之而来的是学术上的争论：这些猩猩真的是在进行有创造性的

交流，还是仅以条件反射的方式做出机械的反应呢？

教猩猩手语的人讲到过许多有关他们的弟子自己创造新手势

或创造性地将几个手势结合在一起的趣闻。但是持批评态度的人

认为这些轶事不能令人信服或是不可靠。毫无疑问这方面的争论

将继续下去。

现在发现，事实上即使对人类来说，条件作用的力量也比以前

所认为的要大。有很长一段时间人们一直认为某些身体功能——

如心跳、血压和肠的收缩等——基本上都处在自主神经系统的控

制之下，因而不是人的意志所能操纵的。当然，这也有例外的地

方。一个精通瑜珈术的人能通过对胸部肌肉的控制影响自己的心

率，但是这和用拇指按住手腕动脉以止住其中的血液流动一样，不

说明什么问题。再有，一个人还可以通过幻想自己处在一种焦急

的状态来加快心跳，但这只不过是对自主神经系统的有意识的操

纵。能不能不通过肌肉和头脑的极其费力的操纵，就使心律随意

加快、血压随意升高呢？

20世纪

60年代早期，美国心理学家

N. E. 米勒和他的同事们

进行了一系列条件作用实验。在实验中，如果大白鼠不论由于什

么原因碰巧血压上升，或心率加快或减慢，就会受到奖赏。最后，

为了得到奖赏，它们学会了对由自主神经系统引发的变化进行有

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意识的控制，就像它们在奖赏的引诱下学会按动杠杆一样。

至少有一个实验计划的结果说明，作为条件作用的反应，人也

能控制自己的血压上升或下降。这套实验的对象是一些男性志愿

者，在实验中他们所获的奖赏是一道闪光中看到裸体女子的照片。

这些志愿者不知道他们怎样做才能使灯光闪亮——并看到裸

照——但他们发现，随着时间的推移，他们越来越容易看到想看的

东西。

通过更加系统化的实验，人们发现如果让一个人随时知道一

些他平常所不知道的特性如血压、心率或皮肤温度，他就能通过某

种有意识的努力（其方式尚未弄清）改变这些量。这个过程叫做生

物反馈。

开始时有人希望生物反馈能够更有效、更方便地完成一些东

方神秘主义者宣称可以完成的事情，如能够控制或减轻一些别无

他法可治的代谢失调症等，但近

10年来这种希望似乎渐渐消退

了。

生物钟

自主身体控制还包含其他一些以前完全不为人知的微妙特

性。因为生物体要受到一些自然节律的影响，如潮水的涨落，稍慢

一点的日夜交替，还有更慢的季节变更，所以生物体本身做出节律

性的反应就没有什么可奇怪的了。树木在秋天落叶，在春天发芽；

人在晚上发困而到了早上就会醒来。

直到最近，人们才开始意识到这种有节律的反应的复杂性、多

样性和自动性。这种自动性即使在没有环境节律的情况下依然持

续存在。

这样，植物的叶子随着太阳的升落每日一度地挺起、垂落，通

过定时摄影可以很清楚地观察到这一点。在黑暗中养育的幼苗没

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

有这种周期，但是它们身上还是有这方面的潜在可能性。只要见

光一次——只要一次就行——这种潜在的可能性就会变成现实。

这种有节奏的活动就此开始，即使以后再切断光线也会继续下去。

不同的植物有不同的节律周期——无光情况下大约在

24到

26小

时之间——但在太阳的调节作用下，总是离

24小时不远。如果对

它们施以

10小时开、

10小时关的人工光源，则它们会建立一个新

的

20小时的活动周期。可是一旦光源被全部切断，大约

24小时

一周期的节律又会重新建立。

这种每日一周期的节律，这种即使在完全没有外界暗示时也

照常运转的生物钟，存在于所有的生命中。明尼苏达大学的哈尔

伯格把这种现象叫做

24小时节律。

人类身上也有这种节律。有许多男性和女性志愿者曾在洞中

连续生活数月之久，在那里他们没有任何计时装置也无从得知外

面是白天还是黑夜。很快他们就完全丧失了时间感，进食和睡眠

周期也变得混乱无常。但是，他们依然记录了自己的体温、脉搏、

血压和脑电波，并随时将这些和其他一些数据送上地面。观测人

员在地面上观察记录这些数据随时间的变化规律。结果证明不论

洞中的人时间概念多么混乱，他们身体的节律一点也不乱。这个

节律一直坚持大约一昼夜为一周期。在洞中生活的整个过程中，

所有的测量数据都按这个规律起落。

这绝不仅仅是一件抽象的事情。在自然界中，地球的转动保

持稳定，日夜的交替也保持恒定而且是不以人的意志为转移

的——当然这要假定你停留在原来的位置上或只在南北方向上移

动。但是，如果你在东西方向上做长距离快速移动，你就能改变钟

点。你可能在日本人进午餐时抵达日本，而你的生物钟却告诉你

该上床睡觉了。喷气机时代的旅行者经常发现自己的活动很难合

上当地人的节拍。如果他强迫自己适应当地的时间，则他的内分

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泌之类的节律会和他的活动规律格格不入，使他感到疲倦，一点效

率也没有。这就是喷气机疲劳，或叫高速时滞反应。

还有一些不太明显的例子。比如，生物体承受

X射线或各种

药物的能力常常和生物钟的钟点有关。医务治疗很可能应该随着

一天的时间变化而变化，或是为了尽量增加疗效并降低副作用而

限定在一天某个特定的时间内进行。

是什么使生物钟的运行如此有规律？人们怀疑是松果体（见

第十五章）在起作用。在某些爬行动物中，松果体非常发达，并似

乎具有类似眼的构造。楔齿蜥是一种状如蜥蜴的爬行动物，是喙

头目惟一的现存种，目前只生活在新西兰海岸附近的某些小岛上。

它头顶的表皮下有一块松果眼，在楔齿蜥出生后半年时间内特别

突出，而且的确能感光。

松果体并不能像眼一样能“看”什么东西，但能够产生某种化

学物质并使其浓度随着光线的有无有节律地增减。这样它就能调

节生物钟的运行。而且当光线的变化不再具有周期性时，它还能

继续维持生物钟本来的节律（因为它已经通过以前的条件作用建

立了产生化学物质的规律）。

但是，在哺乳动物中，松果体已不再位于头顶表皮下了，而

是深埋在脑子中间。在这种情况下它是怎样运转的呢？有没有别

的什么东西比光线更具穿透性，而又具有同样的节律呢？有人猜

测这东西可能是宇宙射线。由于地球的磁场和太阳风，宇宙射线

也具有

24小时节奏。这种力量也许就是生物钟的外部调

节器。

即使找到了外部调节器，是否就能找到体内生物钟呢？体内

是否有某种化学反应以

24小时节律升降，并控制所有其他节律

呢？是否存在一种我们可以认作生物钟的“主反应”呢？如果是这

样的话，人们至今尚未找到这种反应。

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

对人类行为的探索

但是，我们看来不大可能完全搞清楚生命这样一种复杂的事

物。要完全确定核酸的复制这样一类事物还是比较容易的，然而，

就是在这个相对简单的过程中，环境的因素还会引起差错并导致

突变和进化。也不能想象我们有一天将能详细预测进化的过程。

量子力学的理论从更基本的角度上认为，物体的行为在本质

上就存在不确定性，而且物体越轻、越小，不确定性就越强。在某

种程度上，一个电子的行为是不可预知的。而且有人主张电子的

某些性质只有通过测量才能知道。甚至有可能在某种微妙的程度

上，宇宙在某一时刻的状态就是由人类的观察和测量所定义的。

（这就叫人类原理。）

不难想到，有时候人的行为过程和人做出的某个决定（或者甚

至是低等动物的行为或决定）可能是由体内什么地方的某个电子

的不确定运动引起的。这一点在原则上就足以否定决定论，但是

它并不能证实自由意志的观点，而是引入了一个随机因素。这种

随机因素很可能比决定论和自由意志二者都更加不容易理解清

楚。

但随机因素并非不容易处理。随机事件如果发生得足够多，

它们的影响也就不难估算了。单个的气体分子的运动方式是随机

的，但是在任何不是太小的一团气体中都有很多的分子，它们运动

中的随机性互相抵消，气体定律能够非常精确地描述气体的温度、

压力和体积等特性之间的关系。

但是，在人类行为的研究方面，我们尚未达到这种程度。到目

前为止，这方面的研究人员采用的办法大都是凭直觉想出的，这些

方法就像要研究的行为问题一样不容易对付。

这些方法可以追溯到近两个世纪以前的奥地利内科医生梅斯

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梅尔。他发明了一种探索人的行为的强有力的方法，并因为在这

方面所做的一系列实验而在欧洲轰动一时。开始时他用磁铁，后

来只用手，通过一种他所谓的动物磁性（很快改称梅斯梅尔氏催眠

术）得到他想得到的效果：他使患者进入昏睡状态，然后宣布患者

已经痊愈。梅斯梅尔可能的确治好了一些人的病（某些失调症是

可以用暗示法治疗的）并得到了许多人的热情追随，包括刚从美国

凯旋归来的拉斐德。但是，一个成员包括拉瓦锡和

B. 富兰克林的

委员会对梅斯梅尔这个狂热的占星术家和全能的神秘主义者进行

了调查。委员会虽然对梅斯梅尔持怀疑态度但调查却十分公正。

根据调查结果梅斯梅尔被斥为骗子，他名誉扫地并隐退了。

然而，他毕竟创造了一个开端。到了

19世纪

50年代，英国外

科医生布雷德在医疗中重新启用了催眠术（是他第一个采用这个

术语代替梅斯梅尔氏催眠术的），别的医生也逐渐开始采用这种方

法。其中有一位是维也纳的医生布罗伊尔，他从

19世纪

80年代

开始专门用催眠术治疗心理与感情的失调。

当然，催眠术自古就有，并常为神秘主义者所采用。但是此时

布罗伊尔和其他人开始把催眠术的效果视为头脑中有无意识层的

证据。一个人自己不知道的一些动机就埋藏在那里，而通过催眠

可以使这些动机显现出来。有人设想这些动机之所以被从有意识

的头脑中排挤了出去，是因为它们都与羞耻或负罪感有关，并且很

可能是它们引发了那些无用、无理甚至邪恶的行为。这种设想确

实很吸引人。

布罗伊尔开始采用催眠术探索癔病和其他行为失调症的潜在

原因。他的学生弗洛伊德参加了他这方面的工作。接连许多年，

他们共同为患者治疗，对患者进行低度催眠并鼓励他们说话。他

们发现，患者对无意识层中埋藏的经历和冲动进行发泄，就像泄药

的功能一样，在他们从催眠状态中醒来以后，症状全都有所减轻。

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

弗洛伊德得出结论认为，几乎所有受压抑的记忆和动机都有

性方面的根源。性冲动被社会和孩子的父母视为禁忌并被迫隐蔽

起来，但依然极力想得到表现，因此产生强烈的矛盾，而不认识、不

承认这种矛盾则使之更具有伤害性。

由于布罗伊尔不同意弗洛伊德全力研究性因素的作法，两人

最终分道扬镳。那以后，在

1894年，弗洛伊德自己继续发展他关

于精神错乱的原因和治疗的思想。他不再采用催眠术，而是让他

的病人随意地唠叨，想到什么就说什么。当病人感到医生是在同

情地倾听而没有任何道德上的责难时，他就会慢慢地，有时是极其

缓慢地，开始卸去心上的负担，开始记起并倾诉长期压抑、忘却的

东西。弗洛伊德把这种对精神的缓慢分析称做精神分析。

弗洛伊德认为梦具有性的象征意义，并描述了幼童希望在婚

床上代替父母中与自己同性的一方的潜意识（男孩中的奥狄浦斯

情结或恋母情结，女孩中的厄勒克特拉情结或恋父情结，这些都得

名于希腊神话中的人物）。这些说法使一些人极度厌恶，而使另一

些人颇感着迷。在

20世纪

20年代，第一次世界大战的动乱刚过，

美国正处在禁酒时期的混乱之中，而世界上许多地方都在发生道

德习俗上的变化。这种情况下弗洛伊德的观点让人感到颇有同情

心，于是精神分析几乎成了一时的风尚。

但是，已有将近一个世纪历史的精神分析至今还是一门技术

而不成其为科学。在物理学之类的“硬”科学中要进行严格控制的

实验，这类实验在精神病学中当然极其困难。从事这方面工作的

人只能大体上靠直觉或主观判断做出结论。精神病学（精神分析

只是这门学问中所用到的一种技术）无疑帮助了许多患者，但是它

并没有带来任何惊人的治疗效果，也并没有明显降低精神病的发

病率。精神病学至今没有发展出一套大家都能接受的、就像传染

病的微生物理论那样的全面理论。事实上，几乎是有多少精神病

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学家，就有多少种精神病学的流派。

严重的心理疾病有多种形式，从长期抑郁到完全与现实脱离

而退入一个至少有某些细节与我们大多数人对事物的理解不相符

的世界。这一类精神病通常称做精神分裂症，这个名词是由瑞士

精神病学家布洛伊勒首先提出的。精神病医院中

60%的慢性病

患者被诊断为精神分裂症患者。

直到不久以前，对于精神病只有几种激烈的疗法可供选择，诸

如额前叶切断术以及采用电击或胰岛素的休克疗法（胰岛素休克

疗法是在

1933年由奥地利精神病学家萨克尔发明的）。精神病学

和精神分析几乎没什么用武之地，只是在患病初期，医生和病人的

交流还能偶尔奏效。但是，最近一些在药物和脑部的化学（神经化

学）方面的发现却带来了令人振奋的消息。

古人就知道某些植物的汁液能引起幻觉（幻视或幻听），而另

外一些植物的汁液则能使人感到愉快。古希腊德尔斐神殿的女祭

司们在宣读她们那些充满隐意的神谕前，都要咀嚼某一种植物。

美国西南部一些印第安部落把咀嚼皮约特或麦斯克尔仙人掌的纽

扣状茎头作为一种宗教仪式（咀嚼这东西能导致颜色上的幻觉）。

这方面最富戏剧性的例子可能要算曾经盘踞在伊朗一处山区要塞

里的一个穆斯林教派了。这批人服用大麻叶中的汁液。在宗教仪

式上，参加者服下这种麻醉剂以后会产生幻觉，感到好像瞥见了他

们死后要去的天堂；于是，为了得到这种通向天堂的钥匙，他们会

服从首领下达的一切命令。教派首领称做“山中老人”，他下达的

命令就是让教徒们去刺杀敌方的统治者和敌对的穆斯林政府官

员。英语中的“刺客”一词，源自阿拉伯语“大麻汁液服用者”，就是

这个原因。在整个

12世纪期间，这一教派使该地区充满恐怖气

氛，直到

1226年，蒙古入侵者蜂拥进入这片山区并杀光了所有的

刺客为止。

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

在现代，取代从前那些诱发欣快感的草药的地位的，除去酒类

以外，还有一类称做安定剂的药物。事实上，早在公元前

1000年，

印度就有人知道一种安定剂。这种安定剂是印度萝芙木中所含的

某种物质。1952年，美国化学家从这种植物经过干制的根中提炼

出了利血平，这就是如今流行的安定剂中最早发现的一种。从那

以后，人们通过人工合成的方法又制造出了几种化学结构更为简

单并具有相同效果的物质。

安定剂属于镇静剂一类。和其他镇静剂不同的是，安定剂会

减轻忧虑，对其他的心理活动却没有可观测到的抑制作用。然而，

它们的确倾向于使人发困，而且还可能有其他不好的副作用。安

定剂一出现，人们就发现它们在减轻精神病患者（包括精神分裂症

患者）的症状以及使他们安静等方面极其有效。安定剂并不能治

愈任何精神病症。但它们能够抑制一些症状，而这些症状使适当

的治疗无法进行。通过减轻患者的敌意和愤怒，消除他们的恐惧

和忧虑，这些药减少了使用强烈肉体限制的必要性，并使精神病医

生更容易和病人接触，从而增加病人好转并出院的可能性。

然而，安定剂畅销不衰，主要还是在普通公众中流行。大家似

乎都把它们当作驱逐一切烦恼的万灵药而抓住不放。

麻醉药的使用

人们发现利血平与脑中的一种重要物质极其相似。利血平复

杂分子的一部分很像一种叫做血清素的物质。血清素是

1948年

在血液中发现的，从那以后它一直使生理学界颇感好奇。人们发

现它存在于人脑的下丘脑区，并广泛存在于其他动物（包括无脊椎

动物）的脑和神经组织中。

而且，人们还发现，许多其他对中枢神经系统有影响的物质也

与血清素非常相似。其中之一是在蟾赊毒素中发现的化合物蟾蜍

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特宁，另一种是仙人掌毒碱，即麦斯克尔掌纽扣状茎头中的有效成

分。最引人注目的是一种叫麦角酸二乙基酰胺（通常简称

LSD）

的物质。1943年，一位叫

A. 霍夫曼的瑞士化学家在实验室里偶

然吸收了一些这种化合物，一时陷入了奇特的感觉之中。确实，当

时他觉得通过自己的感官觉察到了一些东西，而这些东西和一般

认为的环境客观现实完全不符。他陷入了我们称做幻觉的状态，

而

LSD就是现在所谓的致幻剂中的一种。

有些人喜欢他们在致幻剂影响下所经历的感觉，他们把这种

幻觉状态叫做头脑延伸——这似乎是说他们感受到或以为自己感

受到比正常情况下更多的东西。可是，酗酒者进入震颤性谵妄状

态后也有同样的感觉。这种比较看上去好像很刻薄，其实不然。

因为研究结果表明，在某些情况下，很小剂量的

LSD就会引起类

似精神分裂症的许多种症状！

这些意味着什么呢？血清素在结构上很像一种叫色氨酸的氨

基酸，并能被一种叫胺氧化酶的酶所分解。脑细胞中含有这种酶。

假设出现了一种结构上类似血清素的物质，使胺氧化酶忙于分解

它（如麦角酸）而无力他顾。随着分解酶停止工作，血清素将在脑

细胞中越聚越多，可能会达到过高的浓度。这就会破坏脑中血清

素的平衡，并可能导致进入精神分裂的状态。

会不会精神分裂症就是由自然原因带来的这种失调而引起的

呢？精神分裂症有遗传的倾向。这一点的确令人感到某种代谢失

调（而且是一种受基因影响的代谢失调）和这种病有关。

1962年，

人们发现通过某种处理过程，可以在许多精神分裂症患者的尿中

找到一种物质，而未患此症的人的尿中不含这种物质。最终人们

发现这种物质是一种叫做二甲氧基苯乙基胺的化学物质，它的结

构介于肾上腺素和仙人掌毒碱之间。换句话说，某些精神分裂症

患者似乎是由于某种代谢差错而在体内自制致幻剂，从而实际上

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

永远处于麻醉品所造成的麻木状态。

并不是每个人对某一给定剂量的这种或那种药品都有同样的

反应。但是，拿脑的化学机制闹着玩显然是很危险的。不论为了

多少“头脑延伸”的快乐，变成心理残废这样一种代价肯定是太高

了。然而，社会对麻醉药的使用（特别是大麻的使用，至今未能确

切证明大麻和其他致幻剂一样有害）久禁不止。许多猛烈抨击使

用这种或那种麻醉品的行为的人，自己本身却有烟瘾或酒瘾。烟

草和酒精由于使用者极多，对个人和社会都造成了很大损害。这

种对人严对己宽的虚伪态度会损害反麻醉品运动的信誉。

记忆

神经化学还给最终弄明白称做记忆的那种难以捉摸的智力特

征带来了希望。记忆看起来可以分成两类，即短期记忆和长期记

忆。如果你查到了一个要打的电话号码，那么在拨号前把它记在

脑子里是不难的。打完电话以后，你一般就会忘掉这个号码，而且

很可能再也不会记起它。然而，一个你常用的电话号码会进入长

期记忆的范围，即使停用数月之久，还是不难回想起来。

但是我们还是会忘掉许多我们一般认为是属于长期记忆的东

西。我们忘记的很多，而且真遗憾，甚至还往往忘记不少极其重要

的东西（这一点每一个参加过考试的学生都深有体会）。然而真的

我们就把这些都忘光了吗？它们是真的彻底消失了，还是仅仅因

为存得太牢靠一时找不出来了呢？是否可以说它们是被太多的无

关的东西埋没了呢？

一记轻叩发掘出了这种隐藏的记忆。在蒙特利尔麦吉尔大学

工作的美国出生的外科医生彭菲尔德，在一次做脑部手术时，偶然

不小心碰到了患者脑部的某一个位置，使患者听到了音乐声。接

下去再试叩这个地方，患者每次都听到音乐。通过这种叩击，患者

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能完整地重温一遍过去的某个经历，同时对当前发生的事情保持

相当清醒的知觉。看起来恰到好处的刺激能源源不断地引出极其

准确的记忆。有关的大脑区域叫做解释皮质。偶然轻叩皮质的这

一区域可能会引起回忆幻想（即感到某件事以前曾发生过）的现象

以及超感知觉的其他各种表现。

但是，如果记忆是如此的详细，脑子怎么能装下那么多呢？据

估计，一个人的脑子在一生中能装下

1

×1015（1000万亿）单位的信

息。要存下这么多信息，每个存贮单元的尺寸只能和分子差不多

大。如果它们比分子大，脑子就装不下了。

目前人们猜测是核糖核酸（

RNA）分子。令人惊奇的是，神经

细胞富含

RNA，其含量高于身体中几乎所有其他细胞中的

RNA

含量。这一点令人惊奇是因为

RNA在蛋白质的合成中起作用

（见第十三章），所以一般来说在大量生产蛋白质的组织中往往含

量特别高。这些组织大量生产蛋白质是因为它们正在迅速生长，

或者是因为它们正在大量生产富含蛋白质的分泌液。然而神经细

胞却完全不属于这两种类型。

瑞典神经病学家海登发明了一整套技术，可以将单个细胞从

脑上分离下来并分析其

RNA含量。他开始强迫大白鼠学习新的

技巧，比如在一根金属线上长时间保持平衡等。到了

1959年，他

发现被迫学习的大白鼠脑细胞中

RNA的含量比其他正常生活的

大白鼠高出

12%。

RNA分子很大，结构也很复杂。如果存贮记忆的每个单元都

是具有独特形式的

RNA分子，那么我们就根本不用担心记忆容

量的问题。RNA分子可能具有的形式太多了，即使像一千万亿这

样大的数字也显得微不足道。

但是我们仅仅考虑

RNA本身是不是就够了呢？RNA分子是

根据染色体内

DNA（脱氧核糖核酸）分子的形式形成的。是不是

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

说我们每个人在出生时带来的 DNA分子里有一大批潜在记

忆——好比一个记忆库，而实际事件则取出和激活这些潜在记忆

并对之作适当修改呢？

而且是不是追踪到 RNA就到头了呢？RNA的主要功能是形

成特定的蛋白质分子。会不会是造出的蛋白质，而不是 RNA本

身，才是真正与记忆有关的物质呢？

检验这种假说的一个方法是采用一种叫做嘌呤霉素的药物。

这种药能对由 RNA产生蛋白质的过程起干扰作用。由美国人

L. B. 弗莱克斯纳和 J. B. 弗莱克斯纳夫妇组成的研究小组利用条

件作用教会大白鼠走迷宫，然后立即给它们注射嘌呤霉素，结果大

白鼠忘掉了刚学会的迷宫走法。RNA分子依然存在，但是关键的

蛋白质分子已无法形成了。利用嘌呤霉素，弗莱克斯纳夫妇发现

可以用这种办法抹去大白鼠的短期记忆，却不能抹去它们的长期

记忆。也许是因为有关长期记忆的蛋白质早已形成了。

然而，很有可能记忆的实质更加微妙，因而远不能仅仅在分子

层次就完全解释清楚。有现象表明，记忆很可能还和神经活动的

形式有关系。这个领域尚有许多问题需要解决。

自 动 机

但是，直到最近人们才将全部的科学资源投入到对生命组织

和器官功能的分析上来，以便能用人造的机器去模仿它们的功能

（这些功能是经过几十亿年进化，通过无数次试探才发展出来的）。

这种研究叫做仿生学，美国工程师斯蒂尔 1960年创造了这个词

（英语仿生学一词是由生物学和电子学两词的各一部分缩合而成

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的，但实际上仿生学的领域远远超出了这二者的范围）。

作为仿生学研究的一个例子，让我们来看看海豚皮的构造。

如果海豚周围的涡流与和它一样大小的船只周围的涡流一样强，

那么它就需要

2.6马力的功率才能达到它平常的游速。由于某种

原因，水在流过海豚周围时不起涡流，所以海豚只消耗很小的功率

就能克服水的阻力。这好像是由于海豚皮的性质造成的。如果我

们能使船只外壁达到这种效果，则可以提高远洋轮船的航速并同

时减少其燃料消耗。

还有，美国生物物理学家莱特温将微小的铂电极插入青蛙的

视神经以详细地研究其视网膜。他发现，视网膜并不是将一大堆

乱七八糟的亮点和暗点直接送给脑子，让脑子承担全部的解释工

作。视网膜上有五种不同的细胞，每种都有独特的功能。一种细

胞专门对边缘起反应，也就是对亮度的大幅度变化比较敏感（比如

一棵树的背景是天空，在它的轮廓线两侧就有很大的明暗差异）。

第二种细胞对暗而弯曲的物体起反应（蛙捕食的昆虫）。第三种细

胞对快速移动的物体起反应（应该迅速避开的危险动物）。第四种

细胞对逐渐变暗的光线起反应，而第五种则对池塘水的蓝色起反

应。换句话说，从视网膜发往脑部的信息已经经过了相当程度的

分析。如果在人造的传感器中用上青蛙视网膜的窍门，那么这些

传感器就会在灵敏度和用途方面超出现在的水平。

但是，如果我们真的准备建造一部能模仿某种生物机构的机

器，那么最吸引人的莫过于去模仿那最令我们着迷的独特机

构——人脑了。

人脑并不仅仅是一部机器，这一点是可以肯定的。另一方面，

即使人脑这个肯定是我们所知的最复杂的物体或现象，也有某些

方面让我们在某种程度上想到机器。而这种相似可能是很重要

的。

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

这样，如果我们分析一下是什么使人的头脑和其他头脑有所

不同（更不用说与无脑物体之间的差异了），我们可能会产生这样

一个想法，即比起任何其他物体，不论是活的还是无生命的，人脑

更明确地是一个自调节系统。它不但能控制自身，而且能控制它

周围的环境。它并不是靠退让的方法对付环境的变化，而是根据

它自己的需要和标准做出反应。让我们看看一部机器在这种能力

方面能够接近人脑到什么程度。

最简单的自调节机械设备大约要算受控阀门了。早在公元

50年，亚历山大的海洛就设计了几种简陋的受控阀，并在一个装

置中使用了这样一个阀门来自动分送液体。在

1679年，帕潘发明

了一个高压锅，就是一个最基本的安全阀的例子。为了使锅盖不

被蒸汽压力掀开，他在盖子上放了一个重物，但他选择的重量恰到

好处，使锅里压力还没大到足以使锅爆炸时就能把盖子顶开。今

天家用高压锅为达到这一目的使用了许多更复杂的装置（比如一

个当温度太高时会熔化的塞子），但是基本原理还是一样的。

反馈

当然，这是一种一次性的调节。但是也不难找到连续调节的

例子。一个名叫李的英国人发明了一种简单的连续调节装置，并

于

1745年获得专利。他的这种装置能使风车总是保持正对着风

来的方向。他设计了一个带小叶片的尾扇；如果风向转移，就会吹

动尾扇；尾扇叶片的转动会带动一系列齿轮传动装置，并使风车本

身改变方向，直到风车的主叶板转到正对着新的风向。在这个位

置，尾扇的叶片不会转动，只有当风车本体没有对正风向时才会转

动。

但是，现代机械自调节器的原型还得数瓦特为他的蒸汽机发

明的离心调速器（见图

17-4）。

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图 17-4瓦特的调速器

为了使蒸汽发动机排出的蒸汽保持平稳，瓦特构想出了一个

装置，它包括一根垂直的轴，轴上横向以铰接的方式联着两根金属

棒，每根棒的端部装有一个重锤，重锤可以上下移动。蒸汽压力使

垂直轴旋转，压力上升则转速提高，于是离心力使重锤上升。重锤

上升使一个阀门部分关闭，使蒸汽流动变慢，随着蒸汽压力的下

降，轴的转速也下降，重力使重锤向下移动，从而使阀门打开。这

样，离心调速器就能使轴的转速以及输出的功率维持在一个固定

的水平上。如果转速或功率偏离这一水平，就会引起一连串动作

并最终导致改正这种偏离。这就叫反馈：误差本身不断送回信息；

并且，所需的修正量的大小是由误差大小所决定的。

恒温器是我们所熟悉的一种反馈装置。荷兰发明家德雷贝尔

在 17世纪早期首先使用了原始的恒温器。1830年，苏格兰化学

家尤尔发明了一种更复杂的恒温器的原理，按这种原理制作的恒

温器至今仍在使用。这种恒温器的基本部件是面对面焊在一起的

两条不同的金属。由于两种金属在温度发生变化时膨胀和收缩率

不同，这种金属条部件会弯曲。假定把恒温器定在 70℉，当室温

第十七章 头 脑

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降到这个温度以下时，温差电偶会向某一方向弯曲，使电路导通并

打开供暖系统；如果室温超过

70℉，温差电偶会向相反方向弯曲

并使电路断开。这样，供暖设备通过反馈调节自己的工作状态。

人体的活动也以同样的方式受到反馈的控制。这方面例子很

多，比如血液中葡萄糖的浓度是由分泌胰岛素的胰腺控制的，就像

屋子里的温度由供暖设备控制一样。而且，正如供暖设备的运转

受温度相对于标准值的偏移量的控制一样，胰岛素的分泌也是决

定于血液中葡萄糖浓度偏离标准的多少。如果葡萄糖浓度过高，

胰腺就会开始分泌胰岛素，就像过低的室温会打开供暖设备一样。

恒温器的设定温度可以向上调，而人体内部的某种变化，如肾上腺

素的分泌，同样也能将人体活动的标准值提高。

美国生理学家

W. B.坎农将生物体为维持某一不变的标准值

所进行的自调节称做内环境稳定。在

20世纪的最初几十年中，

W. B.坎农是研究这种现象的一位先驱者。

生命系统中的反馈过程和机器中的反馈基本上是一样的，一

般也没有人用另外的名词来描述这种现象。在讲到寻求有意识地

控制自主神经功能时用到“生物反馈”一词，这是为了方便而人为

引入的区别。

大部分系统，不论是有生命的还是无生命的，在对反馈做出反

应时都会有短时间的滞后。例如，在供暖系统关上以后，还会继续

辐射出一段时间的余热；在另一方面，在打开后也要过一会儿才会

热起来。因而室温并不是维持在

70℉，而是在这一水平上下摆

动；它总是从上到下或从下到上越过这一指标。

英国皇家天文学家爱里在

19世纪

30年代首先研究了这种叫

做摆动的现象。当时他设计了一些能随着地球转动自动调整望远

镜方向的装置，他对摆动的探索就是针对这些装置进行的。

从血液中葡萄糖浓度的控制到有意识的行为，大多数生命过

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程都具有摆动的特点。当你伸手去拿一件东西时，手的运动并不

是单一的动作，而是一连串不断调整速度和方向的动作。由眼判

断是否偏离正确路线，再由肌肉做出对这种偏离的修正。由于这

种修正的自动性很高，所以你感觉不到是在这样做。但是试看一

个还不熟悉视觉反馈的婴儿想要拾取某物的情形：由于肌肉的修

正不够准确，孩子往往不是手伸过了头就是没有伸到地方。一些

由于神经受到损伤致使运用视觉反馈的能力受到干扰的患者，在

试图做出协调的肌肉运动时总会陷入可怜的震颤中。

正常而熟练的手能平稳地伸向目标，并在恰到好处时停下，这

是因为控制中心能够提前对情况做出估计并做出修正。当你驾车

拐弯时，在还没完全转过弯道时你就会开始放开方向盘，这样，转

过弯道以后车轮就会朝向正前方了。换句说，及时的修正可以防

止动作过头。

有证据表明，小脑的主要功能就是管理这种通过反馈调整运

动的工作。它会估计未来的情况并预测手臂在一瞬间之后的位

置，进而根据这些来安排动作。在你站着的时候，小脑使你躯干的

各大块肌肉的张力处在不断变化之中，以保持你身体的平衡。站

着而什么也不做是一件艰苦的工作；我们都知道仅仅站着不动有

多么疲劳。

这一原理也能应用在机器上。可以这样安排：当系统接近所

期望的状态时，实际状态和期望状态间的差距越来越小，这种不断

缩小的差距会自动在系统冲过期望状态前切断修正。在

1868年，

法国工程师法尔科利用这一原理发明了一种蒸汽动力船舵的自动

控制装置。当船舵靠近预定位置时，这种装置会自动关小蒸汽阀，

船舵达到预定位置时，蒸汽压力已经被切断了。如果船舵偏离指

定位置，它的运动就会打开一个适当的阀门，这样蒸汽压力就会把

舵推回去。法尔科称他的这种装置为伺服机构，从某种意义上说

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

这种装置开创了自动化的纪元（自动化这个术语是美国工程师迪

博尔德在

1951年首先使用的）。

早期的自动化

会模仿人类的预见力和判断力的机械装置，不论这种模仿是

多么的粗糙，一旦发明出来总会引发一些人的想象力。他们会因

此而考虑是否可能造出某种大体上能完全模仿人类活动的装

置——一部自动机。神话和传说中充满了这类东西。

神话和传说中只有神仙和魔法师才会制造这种东西，而普通

的人开始掌握这种技艺是和中世纪时钟表业的逐渐发展分不开

的。随着钟表结构日趋复杂，时钟机构（指运用错综相联的齿轮使

某一装置按正确顺序并在恰当的时间做出某种运动的机构）也在

发展。有了时钟机构，就有可能制造出能越来越接近模仿和生命

有关的行为的东西。

18世纪开始了自动机的黄金时代。有人为法国皇太子制造

了自动玩具兵；一位印度统治者还拥有一只六脚机械虎。

但是，这种皇家的玩艺儿很快就被商业冒险超过了。

1738

年，法国人沃康松制作了一只铜的机械鸭子。这鸭子会嘎嘎叫、洗

澡、饮水、吃谷物，还会做出消化、排泄所吃下的东西的样子。人们

花钱来看这只机器鸭子。它为主人挣了几年的钱，但没有能够存

留到现在。

后来出现的一部自动机被保存了下来，现存在瑞士纳沙泰尔

一家博物馆里。这是一个自动抄写员，是由雅克-德罗兹在

1774

年制作的。它的外形是一个男孩，这个孩子能用笔在墨水池中蘸

墨水并写下一封信。

当然，这类自动机都是一成不变的。它们只能做时钟机构所

指定的动作。

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然而，没过多久，自动性的原理就变得具有灵活性，其应用也

从欣赏物转到了有用的工作方面。

第一个重要的例子是由法国织布工雅卡尔发明的。他在

1801年设计出了一种叫提花机的织机。

在这种织机上，一般情况下针通过一块木头上的孔后将线交

错织起来。但是假设在针和孔之间放上了一张打了孔的卡片，那

么卡片上的孔会让针穿过去并照常进入木头。而在卡片上没有打

孔的地方，针不能通过。这样，有些地方会有交织，有些地方则没

有。

如果有不同的穿孔卡片，孔的安排有所区别，那么按某一特定

顺序将这些卡片插入机器，就会由能通过和不能通过的针脚上的

变化构成一种图案，通过适当地安排卡片，原则上可以相当自动地

形成任何图案。用现代术语来说，安排卡片就是给织机编程序。

其后，织机所做的事情看上去就像是出自它的本意，还像是艺术创

作。

提花机最重要的一点，就是它通过一种简单的“是或非”的二

分法获得了惊人的成功（到了

1812年，在法国已有

11 000台这种

织机，并且在拿破仑战争一结束就传到了英国）。在某一特定位置

或者有一个孔，或者没有孔。织机运转只需要一个片面上的“是非

－是－是－非……”之类的模式就可以了。

从那以后，专为模仿人类思想而设计的越来越复杂的装置中

都采用更精妙的方法处理是－非模式。想从一种简单的是－非模式

得到复杂的、类似人类的结果似乎是十分可笑的。但是事实上这

样做的数学基础早在

17世纪就已得到了证明。在那以前，人们已

经为算术计算机械化以及为找到人脑活动的辅助装置而做了几千

年的尝试。

第十七章 头 脑

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算术计算

用于算术计算的最早的工具一定要数人的手指了。当人们使

用他们自己的手指来表示数字和数的组合时，就揭开了数学的历

史。英语“digit”一词，即有手指（或脚趾）的意思，也有整数的意

思，这一点并非巧合。

从那以后，再进一步就出现了用其他物体（可能是卵石）代替

手指做计算的情况。卵石比手指多，而且在解题的过程中，用卵石

还可以保存中间结果，以便将来参考。因而，英语计算一词来自拉

丁语的“卵石”，这也不是巧合。

把卵石或珠子排在槽中或串在绳子上，就形成了算盘，它是第

一种真正具有多种用途的数学工具（图

17-5）。有了它就可以很

容易地表示个、十、百、千等等。通过移动算盘的卵石或筹码，可以

迅速完成诸如

576+289这样的加法运算。而且，任何可用来做加

法的仪器也可用来做乘法，因为乘法不过是重复相加而已。另外，

能做乘法也就能做乘方运算了，因为乘方就是重复相乘（例如，

45

是

4×4×4×4×4的简化表达方式）。最后，假如能反向操作这种

仪器，那么就可以做减、除和求方根的运算了。

可以把算盘看作是第二种数字计算机（第一种当然是手指

了）。

算盘连续几千年一直是最进步的计算工具。在西方，罗马帝

国灭亡以后算盘的使用实际上就失传了。在大约公元

1000年，教

皇西尔维斯特二世又重新引进了算盘。这次可能是从摩尔人的西

班牙引进的，在那里人们一直未停止使用算盘。算盘重新出现以

后，人们把它当作东方世界的新鲜玩艺，而不记得它的西方根源

了。

第一种可以代替算盘的事物是一种模仿算盘工作的数字记

法。这种记数法就是我们今天所说的阿拉伯数字，它在公元

800

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年左右发源于印度，后来让阿拉伯人学会了，最后在大约公元

1200年由意大利数字家、比萨的莱奥纳尔多介绍到西方。

在这种新的记数法中，算盘表示个位的那一行中的九颗不同

的卵石由九个不同的符号表示，在十位行、百位行和千位行中也使

用这九个符号。位置互不相同的筹码由位置互不相同的符号来代

替，例，在数字 222中，第一个 2代表 200，第二个 2代表 20，而第

三个 2则代表 2本身；也就是，200+20+2=222。

这种“位置记数法”之所以能够出现，是因为有人认识到了古

图 17-5用算盘做加法。横杠下面每个算珠表示 1；横杠上面每个算珠表示 5。

将算珠拨向横杠表示计数。这样，左上图中，最右面一列的读数是 0；从右数第

二列读数是 7或（5+2）；右起第三列读数是 8或（5+3）；右起第四列数是 1。于

是，算盘上显示的数字就是 1870。如果在这个数字上再加上 549，最右列一列变

成了 9或（5+4）；右起第二列的加法是四去六进一，即向上位进 1后本位余 1，这

样就要在右起第三列拨上一只算珠；右起第三列的加法结果为进 1余 4；而右起

第四列的加法即为 1+1或 2。以上运算的答案是 2419，如右上图中的算盘所

示。进 1的方法非常简单，不过是在左面一列中拨上一粒算珠而已，因而计算的

速度可以很快。一位会熟练运用算盘的人做加法的速度能超过加法机，这一点

在 1946年举行的一次实际测验中得到了证实。

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

代算盘使用者所忽略的一个十分重要的事实。虽然在算盘的每一

行中只有

9个筹码，但却有

10种不同的排列方法。除了将

1到

9

的

9个筹码排成一行以外，还可以不使用筹码——即把计数位置

空出来。所有伟大的希腊数学家都没有注意到这一点；一直到了

9世纪，才有某个不知姓名的印度教徒想到要用一个特别的符号

“0”来代表这第十种排列。这个符号阿拉伯人叫做

“sifr”（空的），

英语中具有“零”的意思的两个词都是来源于这个字（

cipher和

zero）。现在，英语中摆弄数字有时仍叫做“

ciphering”（计算），而求

解难题叫做“decipher”（破解），这都说明了零的重要性。

而指数表示数的乘方提供了另一种有力的工具。将

100表示

成

102，1 000表示成

103，100 000表示成

105，等等，从几方面来说

都很方便。这样做不仅使大数的写法简单化了，而且将乘法和除

法运算简化为指数的加减法运算（例如，

102×103=105），还把乘方

和求方根的运算变为简单的指数乘除法运算（例如，

1 000 000的

立方根是

106/3=102）。这些当然都挺不错，但是能写成简单的指

数形式的数是很少的。对像

111这样的数又该怎么办呢？对这个

问题的回答引出了对数表。

第一个研究这个问题的是

17世纪的苏格兰数学家纳皮尔。

显然，想把

111这样一个数字表示成

10的幂的形式，则

10的指数

不会是整数（这个指数是

2和

3之间的一个小数）。总的来说，如

果所考虑的数本身不是底数的整数倍，那么指数就会是小数。纳

皮尔找到了一种计算数字所对应的小数形式的指数的方法，并将

这种指数命名为对数。不久以后，英国数学家

H. 布里格斯简化了

这种方法并算出了以

10为底的对数。布里格斯对数（即常用对

数）在微积分中不大好使，但在普通计算中则用得较多。

所有非整数的指数都是无理数，也就是说，它们不能表示成普

通分数的形式。它们只能用无限不循环小数来表示。然而，这样

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一个小数可以按照需要计算到任意多的位数。

例如，让我们假定我们想要计算

111和

254两数的乘积。111

的常用对数，精确到小数点后五位，是

2.04532，而

254的常用对

数则为

2.40483。把这两个对数加起来，我们得到

102.04532 ×

102.40483＝104.45015。这个数大约等于

28 194，也就是

111×254的

积。如果我们想达到更高的精确度，我们可以使用精确到小数点

后六位或更多位的对数。

对数表大大简化了计算工作。在

1622年英国数学家奥特雷

德设计了一种计算尺，使计算变得更加容易。他在两把尺上都标

上了对数刻度。在这种刻度中，数字越大，数字间的距离就越短。

例如，第一段包含

1到

10的数字，长度与第一段相同的第二段包

含

10到

100间的数字，而同样长度的第三段则包含

100到

1 000

间的数字，等等。通过将一把尺沿着另一把尺滑到适当的位置，就

能读出乘除计算的答案。使用计算尺进行运算就像用算盘做加减

法一样容易，当然，这要使用者能熟练运用这种工具才谈得上。

计算机

向真正自动的计算机迈出的第一步，是由法国数学家帕斯卡

在

1642年完成的，他发明了一种加法机，使用时不用像使用算盘

那样在每一行上分别移动筹码。它由一套联在一起的齿轮组成。

如果把第一个轮子——个位轮——转动

10个格到它的

0刻度，则

第二个轮子就会向上转

1个格到它的

1刻度，这样两个轮子在一

起就会显示

10这个数字。如果十位轮转到了它的

0刻度，则第三

个轮子会向上转

1个格，显示

100，等等。（这种加法机的原理和

汽车里程表的原理是一样的。）据说帕斯卡制作了

50多部这种加

法机，其中至少有

5部存留至今。

帕斯卡的装置只能做加法和减法。在

1674年，德国数学家莱

第十七章 头 脑

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布尼兹再进一步，他改进了轮子和齿轮，使得乘法和除法也变得像

加减法一样自动和容易。1850年，美国发明家帕马利取得专利的

一项重大进展使计算机使用起来更加便利。以前的计算机是用手

直接拨动轮子，而他则引入了一套按键；按下标有某个数字的键，

轮子就会转到相应的数字。我们所熟悉的老式现金收入记录机

中，所采用的就是这样的机械装置。

但是，莱布尼兹并未就此罢手。可能是由于他在计算机械化

方面的努力，他发明了二进制系统，目的是想最大限度地简化计算

的机械化。

人类通常使用的是一种以

10为底的记数系统（十进制），这种

系统中共用到十个不同的数字（

0，1，2，3，4，5，6，7，8，9），并以这些

数字的不同数量与组合来表示所有的数。某些文化中用到了以别

的数为底的记数制（有以

5为底的系统、以

20为底的系统、以

12

为底的系统、以

60为底的系统等等），但是以

10为底的记数制使

用得最为广泛。毫无疑问，这一点是由于我们的双手刚好有

10个

手指的缘故。

莱布尼兹认识到，任何数字都可以用做底数，而对于机械运算

来说，最简单的应该是以

2为底的系统（二进制）。

二进制记数法中只用到两个数字：

0和

1。它把所有数字都表

示成

2的幂。这样，

1这个数就是

20，2这个数是

21，3是

21+20，4

是

22，等等。就像在十进制系统中一样，幂是由符号所处的位置

表示的。例如，

4这个数表示为

100，即：（1 × 22）+（0 × 21）+

（0×20），用十进制数表示，就是

4+0+0=4。

让我们以

6413这个数字为例来说明一下。在十进制系统中，

可以把它写成（

6×103）+（4×102）+（1×101）+（3×100），别忘了

任何数的

0次方都等于

1。而在二进制系统中，是通过把

2的幂

加在一起（而不是把

10的幂加在一起）来组成数字的。比

6413小

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的最高次幂是

12次幂；

212是

4096。再加上

211，即

2048，我们得到

6114，这个数比

6413小

269。下一个要加上

28即

256，这样还剩

下

13；再加上

23即

8，剩下

5；然后是

22即

4，剩下

1；最后

20就是

1。这样我们就可以将

6413写成（

1 × 212）+（1 × 211）+（1 × 28）+

（1×23）+（1×22）+（1×20）。但是，像在十进制系统中一样，一个

数当中的每一位数，从左到右，必须表示比上一位数低一次方的方

次。在十进制系统中写出

6413这个数时，我们表达了

10的三次、

二次、一次和零次幂项的和，同样，在二进制系统中我们也必须表

达出

2的

12到

0各次幂项的和。以列表的形式表示为：

1 × 212＝4096

1 × 211＝2048

0 × 210＝ 0

0 × 29＝ 0

1 × 28＝

256

0 × 27＝ 0

0 × 26＝ 0

0 × 25＝ 0

0 × 24＝ 0

1 × 23＝ 8

1 × 22＝ 4

0 × 21＝ 0

1 × 20＝ 1

6413

一个个地将左边一列中的乘子取出（就像我们在十进制中相

继取出

6、4、1和

3这些乘子一样），我们在二进制中把这个数写成

1100100001101。

这看起来好像很麻烦。6413这个数要写成

13位长，而在十

第十七章 头 脑

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进制中则仅需

4位数。但是对于计算机来说，这种记数系统是最

简单的了。由于只有两个不同的数字，一切运算都能以简单的“是

或非”的方法来完成。

推测起来，像在提花织机上有针或无针这样一种简单的事情

应该可以以某种方式模仿“是”和“非”，或

0和

1。通过恰当而巧

妙的组合，人们可以调整出如下的结果：

0 + 0=0，0 + 1=1，

0 × 0=0，0 × 1=0和

1 × 1=1。如果以上组合都能做到，我们就可

以想象在提花织机之类的设备上应该能进行一切算术运算。

可以以这种方式完成的不仅仅是普通的计算。这个系统还以

扩展到包含一些逻辑语句，而人们在一般情况下并不认为这些逻

辑语句属于算术。

在

1936年，英国数学家图灵证明，不论什么问题，只要能分解

成有限个操作步骤，而且其中每个步骤又都能用某种机器来完成，

那么这个问题整体上也能通过机械方式加以解决。

1938年，美国数学家兼工程师香农在他的硕士论文中指出，

一种叫做布尔代数形式的推理逻辑可以用二进制的方法来处理。

布尔代数是指一种符号逻辑系统，这种系统是英国数学家布尔于

1854年在《关于思维规律的研究》一书中提出的。他注意到，推理

逻辑中用到的各种命题都能用数学符号来表示。接着他又展示了

如何根据一些固定的规则处理这些符号以得到恰当的结论。

举一个非常简单的例子，让我们考虑下面的命题：

“A和

B二

者均为真。

”假设我们知道

A与

B分别是真或是假，现在的任务是

通过某种严格的逻辑推理来断定上述命题的真假。让我们按照香

农提出的想法，以二进制的思想方法来解决这个问题，并用

0代表

“假”、用

1代表“真”。如果

A与

B二者均为假，则“A与

B二者均

为真”这一命题为假。换一种说法，

0乘

0得

0。如果

A与

B二者

中一为真而另一为假，则上述命题依然为假，也就是说，

1乘

0（或

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0乘

1）得

0。如果

A为真且

B也为真，则“A与

B二者均为真”这

一命题为真。用符号表示，这种情况即为

1乘

1得

1。

这三种情况刚好同二进制系统中的三种可能的乘积相吻合，

即

0 × 0=0，1 × 0=0，以及

1 × 1=1。这样，由“A与

B二者均为

真”这一命题表示的逻辑可以用乘法来处理。因此，一个经过适当

编程的装置，能采用处理普通运算时采用的同样方法，同样方便地

处理这个逻辑问题。

在处理“A或

B有一个为真”这个命题时，我们用加法而不是

乘法来解决这个问题。如果

A和

B二者均不为真，则这个语句为

假。换句话说，0+0=0。如果

A与

B二者一为真而另一为假，则

这一命题为真；在这两种情况下

1 + 0=1或

0 + 1=1。如果

A与

B二者均为真，则这语句肯定为真，即

1+1=10。［10中重要的一

个数字是

1；它向左移动了一位，这一点并不重要。在二进制中，

10表示（1×21）+（0×20），它和十进制中的

2是一样的。］

布尔代数在通信工程中已变得很重要，并且构成了现在人们

所说的信息论的一个组成部分。

人工智能

第一个真正看到提花织机穿孔卡片的潜力的人是英国数学家

巴贝奇。在

1823年，他开始着手设计并建造一个他称之为差分机

的装置，并在

1836年试图建造一部更为复杂的分析机，但两者均

未能完成。

理论上，他的想法是完全正确的。他设想通过使用穿孔卡片

自动地完成算术运算，然后再将运算结果打印出来或采用在空白

第十七章 头 脑

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卡片上穿孔的方式输出。他还计划使机器能够存贮卡片（这些卡

片是经过适当穿孔的），并能在将来需要的时候取用这些卡片，这

样机器就具有记忆功能了。

这部机器的机械运动是通过连杆、汽缸、齿条，以及按十进制

系统制造的齿轮完成的。机器用铃声通知操作人员送入一些卡

片，如果送错了卡片，就会有更加响亮的铃声告诉他们。

不幸的是，巴贝奇脾气暴躁，性情古怪。随着不断有新的灵

感，他每过一段时间就将他的机器拆了，重新建造更加复杂的机

器，结果不可避免地耗尽了资金。

更重要的是，他所依靠的机械的轮子、杠杆和齿轮根本就不能

完成他所要求完成的任务。巴贝奇的机器比起帕斯卡的机器来，

需要更加精巧、更加灵敏的技术，这样的技术当时还不存在。

由于这些原因，巴贝奇的工作逐渐失败了，并被遗忘了一个世

纪。当人们最终成功地建造出巴贝奇式的计算机时，是由于有人

又独立地重新发现了他提出的原理。

电子计算机

穿孔卡片在计算工作中的一项更为成功的应用，发源于美国

人口普查的需求。美国宪法规定，每十年要进行一次人口普查。

而且实践证明，对于全国的人口和经济进行的普查效益极大。事

实上，每过十年，不但国家的人口和财富有所增加，而且所需的统

计细节也有所增加。其结果是，完成全部统计所需的时间也越来

越长。到了

19世纪

80年代，人们开始发现也许到

1890年的普查

快要到来时，1880年的普查结果还不能完全出来。

就是在这个时候，美国联邦统计局的统计员霍勒里思发明了

一种记录统计资料的方法。这种方法是在卡片的适当位置上用机

械方法做出一些孔。卡片本身是非导体，但是电流能流过位于孔

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处的接触点。通过这种方式，计数和其他的运算就能由电流来自

动完成，这一点相对于巴贝奇的纯机械的装置来说是一项重要的

甚至是决定性的进步，因为电是可以担当这一任务的。

霍勒里思的机电制表机在

1890年和

1900年的美国人口普查

中获得了成功的应用。即使用上了霍勒里思的装置，1890年

6500万人的人口普查也花了两年半时间才列表完毕。但是，到了

1900年，他已经改进了自己的机器，使卡片能自动进给，并由电

刷读出。于是

1900年的新的更大的人口普查仅用了一年半多一

点的时间就完成了全部统计工作。

霍勒里思创办了一家公司，它就是国际商业机器公司（

IBM）

的前身。这家公司以及由霍勒里思的助手鲍尔斯领导的雷明顿·

兰德公司，在其后的

30年中对机电计算系统进行了不断的改进。

这两家公司不得不这样做。

随着工业化的进展，世界经济越来越复杂化。而且，想成功地

管理世界事物，必须要越来越多地知道有关的数字、信息和统计资

料的细节。世界正在变成一个信息社会，而人类如果不能足够快

地学会收集、理解这些信息并做出相应的反应，则这样一种信息社

会会因负荷太重而崩溃。

正是由于这种无情的压力，这种必须处理不断增加的大量信

息的压力，推动社会向着发明更加精巧、更加多样化和更大容量的

计算装置的方向前进。这种前进趋势自

20世纪开始以来一直势

头未减。

机电计算机的速度越来越高，而且在整个第二次世界大战期

间得到了广泛地应用。但是，只要这些机器离不开像开关继电器

和控制计数轮的电磁铁之类的运动部件，它们的速度和可靠性就

不会超过某种限度。

1925年，美国的电气工程师布什和他的同事们建造了一部能

第十七章 头 脑

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解微分方程的机器。这部机器能够做巴贝奇想让他的机器做的事

情。它是第一部成功的我们今天称之为计算机的仪器。这是部机

电计算机。

1937年，哈佛大学的艾肯在

IBM公司工作期间，设计了一台

更为惊人的机电计算机。这部机器名叫

IBM自动顺序控制计算

器，在哈佛叫做马克Ⅰ型。它在

1944年建造完毕，是为科学应用

而设计的。它能够完成包含

23位二进制数的数学运算。换句话

说，它能在

3秒钟内正确完成两个

11位数的乘法运算。这是一部

机电装置，由于它主要是用于处理数字，所以它是现代第一部数字

计算机。（布什的装置，像计算尺一样，是通过把数字转变成长度

的方法来求解。由于它使用的是模拟量，而不是数字本身，所以它

是一部模拟计算机。）

但是，要取得完全的成功，这些计算机里的开关必须是电子的

才行。对电流进行机械的中断和重新导通确实比轮子和齿轮要强

得多，但还是既笨又慢，更不用说不可靠了。在电子器件如电子管

中，可以对电子流进行精巧、准确和迅速得多地操作，而这就是下

一个发展步骤。

第一部大型电子计算机共包含了

19 000个真空管，它是由埃

克特和莫奇利于第二次世界大战期间在宾夕法尼亚大学建造的，

被称为电子数值积分器和计算器，简称

ENIAC。ENIAC在

1955

年停止了工作并在

1957年被拆除。当时这部机器才

12岁，却已

是一个毫无希望大大过时的老糊涂了，但是它却留下了很多非常

尖端的后裔。ENIAC重达

30吨，占地

140平方米，而

30年后具

有同等功能的计算机可以做得像一台电冰箱一样大小，这都是由

于使用了比老式的真空管小得多、快得多而又可靠得多的开关元

件的缘故。

这方面的进展非常快，到了

1948年，已经开始了小型电子计

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算机的批量生产。5年之内，已有

2 000台电子计算机投入使用。

到了

1961年，这个数字增至

10 000台。而到了

1970年，使用中的

计算机已突破

100 000台的大关。然而这只不过是刚刚开始而已。

进展之所以如此迅速，是因为虽然电子技术能满足计算机械

化的需要，电子真空管却不是这个问题的答案。真空管尺寸大、脆

弱并需要消耗很多能量。

1948年，有人发明了晶体管（见第九

章），由于有了这一类的固态器件，使得电子控制部件变得结实、小

巧而且能耗极低。

在计算机尺寸变小、价格下降的同时，它们的容量和应用范围

却在大大增加。在晶体管出现后的几十年间，人们很快一个接一

个地发现了许多新的方法，将越来越多的信息容量和存贮量塞进

一个比一个小的固态器件里去。到了

20世纪

70年代，微晶片盛

行了起来；这是一种细小的硅片，上面在显微镜下蚀刻上了密集的

电路。

结果不算太富有的人也买得起计算机了。很可能

20世纪

80

年代会成为家用计算机盛行的年代，就像

20世纪

50年代是家用

电视盛行的年代一样。

第二次世界大战以后投入使用的计算机，对当时的普通民众

来说，已经像是“思维机器”了。于是，科学家和普通外行人士都开

始思考人工智能的可能性和它可能带来的后果。人工智能这个术

语是由麻省理工学院的计算机工程师麦卡锡首先使用的。

这方面的思考在今天比当时要广泛得多，出现仅仅

40年的计

算机已成为人们生活中必不可少的、有巨大能力的工具。没有计

算机就不可能有空间探险。没有它们航天飞机就不能上天。没有

它们，我们的战争机器也会崩溃，倒退到第二次世界大战时的程

度。没有它们，任何工业，不论规模大小，甚至于几乎所有的办公

室，都不能继续以目前的结构存在下去。美国的政府机构（特别是

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

联邦税务局）一般情况下本来就够无效的了，没有计算机的话他们

就更加一筹莫展了。

于是，人们一直在不断地探索计算机的新用途。除了解题、作

图、存取数据等等，还能用它们做一些琐碎的事情。经过编程，有

些计算机能够下国际象棋，水平接近象棋大师。还有一些计算机

可用来玩各种游戏；到了

20世纪

80年代，这些游戏抓住了千百万

青少年的想象力并为厂家赢得了亿万美元的收益。计算机工程师

们目前正努力改善计算机从一种语言翻译成另一种语言的能力，

并赋予它们读、听和说的能力。

机器人

有没有什么事情是计算机最终也不能做的呢？产生这种问题

是不可避免的。例如，能不能把某种计算机装入到一个类似人体

的结构中去，以造出真正的自动机呢？（这不是指

17世纪时造出

的玩具，而是具有真人的相当一部分功能的人造人。）

甚至在第一批现代计算机问世以前，科学幻想作家们就已经

严肃地考虑过这类事情。在

1920年，捷克剧作家恰彼克发表了一

部叫做《R.U.R.》的剧本，在这出戏中，一个名叫罗素姆的英国人

大规模地生产自动机，生产自动机的目的是让它们去做世上所有

的工作，以便使人类过上更好的日子；但是最终它们却造反了，消

灭了人类，并使自己成为一种新的智慧生物。

“罗素姆”来自捷克语“rozum”一词，原意是“理性”，而“R.U.

R.”则是“罗素姆的全能机器人”的缩写。机器人一词在捷克语中

是“工人”的意思，但同时又有非自愿地受奴役的含意，所以还可翻

译成“农奴”或“奴隶”。这出戏大受欢迎并广为流传，因而使旧的

术语“自动机”一词不再流行，而在所有语言中，取而代之的都是机

器人。因此现在一提起机器人，我们就会想到它是一部人造装置

阿西莫夫最新科学指南

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（在人们的想象中，它还至少略具一点人形），具有通常认为是人类

成员才会具有的一些功能。

但是，总的来说，科学幻想作家们并没有把机器人当作真实的

东西来对待，而只是用它们来告诫人类。它们不是以恶棍便是以

英雄的面目出现，引入这类角色的目的是清楚地展示人类的状况。

然而，到了

1939年，当时年仅

19岁的阿西莫夫（是的，就是本

书的作者）对不是坏得极不真实就是好得极不真实的机器人感到

厌倦了，于是便开始发表了一些专谈机器人的科学幻想小说。他

把机器人看作仅仅是机器，就像所有其他机器一样，这些机器人在

建造时已采取了合理的安全保障措施。他在整个

20世纪

40年代

期间，连续发表了多部这类小说。到了

1950年，其中的九部被集

成一本书，书名叫做《我是机器人》。

阿西莫夫提出的安全保障措施，定型后就是“机器人学三定

律”。这种说法是在

1942年

3月发表的一部小说中首次提出的，

这是现在所知的第一次有人使用机器人学这个词。机器人学今天

已成了广为人知的术语，指的是关于设计、建造、维护和使用机器

人方面的一切科学与工艺学。

机器人学三定律是：

1. 机器人不得伤害人类，并必须尽力防止人类受到伤害。

2. 在不违背第一定律的前提下，机器人必须服从人类的一切

命令。

3. 在不违背前两条定律的前提下，机器人必须保护自身的存

在。

当然，阿西莫夫所提出的只不过是纯粹的推测而已，最多只能

当作灵感的来源，而实际工作是由科学家们做的。

进行这方面的工作部分是由于第二次世界大战的压力。电子

学的应用使人们可以赋予武器装备非常灵敏快速的反应能力，甚

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

至超过了生物体的功能。另外，无线电的作用范围也有了明显地

增加。战争中德国的自动操纵飞弹，基本上就是一个飞行的随动

系统。它不仅引出了导弹的发展，还带来了所有各种自动和遥控

操纵的运动装置发展的可能性，这些装置从地铁列车到宇宙飞船，

范围很广。由于军方对这些装置的兴趣最为强烈，又具有最丰富

的资金来源，随动系统恐怕是在枪炮和火箭的瞄准和发射机构中

发展到了最高水平。这些系统能够在上千公里外发现一个快速移

动的目标，立刻算出它的路径（并把目标运动的速度、风的情况、大

气中各层的温度及其他许多因素都计算在内），并极其准确地击中

它，整个过程完全不需人的指导。

数学家维纳是一个非常热心于自动化的理论家和倡导者。他

也曾致力研究这类目标问题。20世纪

40年代期间，他和他领导

的麻省理工学院的科研小组研究出了一些关于处理反馈的基本数

学关系。他把这一研究分支称做控制论，英语中控制论一词是以

希腊语“舵手”一词为基础创造的。这好像很合适，因为随动系统

最早的应用和舵手有关系。（“控制论”这个词还回应了瓦特的离

心调速器，因为英语的“调速器”一词就是来源于拉丁语的“舵手”

一词。）

维纳的《控制论》是第一部完全针对计算机控制理论的重要著

作。掌握了控制论的原理，人们即使造不出机器人，至少也能造出

一些利用这些原理模仿简单动物的行为的系统。

例如，英国神经病学家沃尔特在

20世纪

50年代建造了一个

装置，能够探测周围环境并对之做出反应。他把这种外观像“龟”

的东西称做“testudo”，这个词在拉丁语中是“龟”的意思。这个装

置有一个光电池作为眼，一个传感器用于触觉，以及两部电动

机——一部用于前进和后退，另一部用于转向。在黑暗中，它会绕

着一个大弧爬行。当它碰到一个障碍物时，会退后一点，转一个小

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角度后再度前进；如果再碰到障碍物，它会重复以上动作，直到绕

过去为止。当它的光电眼看到一处光源时，转向的电动机就会关

掉，然后这东西就会向光源一直走去。但是这种向光性是受到控

制的；当它走近光源时，亮度的增加使它向后，这样它就不至于犯

飞蛾投火的错误。但是，当它的电池快要耗尽时这只“饥饿”的龟

就会走近光源以接触放在电灯泡旁的充电器。电充好了以后，这

只龟的感觉又变得敏锐了，它又会从灯泡周围的明亮区域中退出

去。

除了战争的压力以外，我们也不能完全忽略灵感的影响。在

20世纪

50年代早期，哥伦比亚大学的本科生恩格尔伯格阅读了

阿西莫夫的《我是机器人》一书，从此引发了终生不息的研究机器

人的热情。

1956年，恩格尔伯格认识了小德沃尔。小德沃尔在两年前曾

获得了第一个工业机器人的专利。他把这个机器人的控制和计算

机记忆系统叫做全能的自动化，简称全自动化。

恩格尔伯格和小德沃尔共同创办了全自动化公司，随后，小德

沃尔又开发了三四十项有关的专利。

这些专利没有一项是实用的，因为如果机器人没有计算机化，

就不可能完成它们的工作，而当时的计算机尺寸大、价格高，使用

这类计算机的机器人不具备完成任何工作的竞争力。只是到了微

晶片问世以后，全自动化公司的机器人设计才在市场上有了吸引

力。很快，全自动化公司成了世界上最重要、利润额最高的机器人

公司。

工业机器人的时代从此来临了。工业机器人不具备经典机器

人的外观，它身上一点明显的人类特点也没有。它基本上就是一

条计算机化的手臂。它可以极其精确地完成一些简单的动作，而

且由于计算机化的原因，还具有一定的灵活性。

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

工业机器人问世以来，最大的应用是在装配线上（特别是在日

本的汽车装配线上）。我们第一次拥有了这样一种足够复杂、有足

够“才能”的机器，能用来做以前需要人类的判断力才能够完成的

工作。而这类工作所要求的人类判断力往往非常有限，如果强迫

人脑做这种重复性的、令人麻木的判断工作，则有可能由于总也激

发不出它的全部潜力而使之受到损害。

使用机器来做那些对人脑来说过于简单（而对低于机器人的

东西来说又太复杂）的工作，显然是有益的。这样就能使人们腾出

空来，有可能专心致力于更富创造性的能延伸和扩展他们头脑的

劳动。

但是，工业机器人的使用已经显示了近期的、令人不快的副作

用。它们代替了一部分工人。我们可能正在走向一个痛苦的转变

时期，在这个时期中，社会将面临下述问题：对新产生的失业者该

怎么办？如何对他们进行重新教育或重新训练以使他们能胜任别

的工作？或者在无法这样做时，怎样为他们找到他们能做的有益

的工作？或者在这些都做不到时，怎样养活他们？

也许，经过一段时间以后，经过对新一代人的教育，使他们成

为计算机化、机器人化的社会里的一部分，那时情况会好转。

然而技术还会继续进展。有一种很强的推动力在驱使我们发

展能力更强、灵活性更高、能够“看”、“说”、“听”的机器人。而且有

人还在开发家用机器人——这些机器人外观更像人类，在家里会

有一些用处，并能完成以往是由仆人完成的一些工作。（恩格尔伯

格有这样一个装置的原型，他希望不久就能在自己家里启用它：这

个装置能接下外衣、分发饮料以及做一些其他的简单活计。他把

这个装置叫做艾萨克。）

我们不得不怀疑，计算机和机器人最终能不能取代人类的所

有能力？它们会不会变得在各方面都比人类强，从而使人类变得

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陈旧过时，并取代人类的地位呢？我们自己创造的人工智能，是不

是注定要取代我们，而成为支配地球的实体呢？

关于这一点，有人也许会持宿命论的观点。如果这是不可避

免的，那么反正也没有办法。而且，人类的表现也并不怎么样，我

们也许已经走上了自我毁灭（还毁灭其他许多生物）的道路。也许

我们不应该惧怕计算机会取代我们的地位，而是应该担心在这种

取代还没来得及发生时我们已经完了。

我们甚至可能为此感到得意。还有什么成就比创造出最终超

过创造者自己的作品更加伟大呢？我们怀着成功的喜悦，将自己

的遗产传给我们自己创造的更高的智能，这难道不是智慧最辉煌

的胜利吗？

但是，还是让我们现实一点。这种取代真的会发生吗？

首先，我们得问一问智能是否是一个一维变量，或者说是否存

在着不止一种甚至是很多种本质上互不相同的智能。例如，如果

海豚具有与我们相类似的智力，那么好像这两种智力的性质还是

有所区别，不然不会至今还不能进行种间的交流。最终，计算机也

可能会和我们有质的区别。假如真是如此，那一点也不会令人惊

奇。

无论如何，人脑是在一个充满水的背景上，由核酸和蛋白质构

成的，它是

35亿年生命进化的结果，离不开突变的随机影响、自然

选择和其他因素，并为了生存的需要而进步。

在另一方面，计算机是在一个半导体的背景上，由电子开关和

电流构成的。它是

40年来人类设计发展的产物，离不开人类的先

见之明和创新能力，并为了人类使用上的需要而不断改进。

如果两种智能在结构上、历史上、发展过程上和目的上都有如

此重大的区别，那么如果它们在性质上也有很大区别的话则丝毫

不足为奇。

第十七章 头 脑

第十七章 头 脑

例如，从一开始，计算机就能够解决对数字进行算术运算的复

杂问题。解决这种问题时，它们的速度大大超过任何人，而出错的

可能性则大大低于任何人。如果智力是用算术能力来衡量的话，

那么计算机从一开始就比人类智力高。

但是，很有可能人脑主要地并不是用来掌握算术或其他类似

技能的；也许因为这些工作并不是我们的专长，所以我们理所当然

地做不好。

很有可能对人类智力的衡量要包括许多微妙的性质，诸如洞

察力、直觉、幻想、想象力和创造力等等，也就是把一个问题看成一

个整体并通过对情况的“感觉”猜测问题答案的能力。如果是这样

的话，那么人类的智力非常高，而计算机的智力则实在是太低了。

现在我们还找不到在这方面提高计算机智力的便利方法。人们不

能通过编程使计算机拥有直觉和创造力，这是因为我们目前尚不

知道我们自己行使这些能力时具体是在做什么。

我们是否可能在将来学会如何给计算机编程以使它们具有这

种人类的智力呢？

这是可以想象的。但是到了那个时候，由于我们自然不愿被

取代，也许就不会这样做了。何况，我们完全可以通过正常的生理

过程生育真人，复制人类的智力——建造一部也许带点儿人性的

计算机——又有什么意义呢？这很像从幼儿时期就开始训练一些

人专去完成类似计算机能做的“数学奇迹”一样。这样做毫无道

理，因为即使是最便宜的计算装置也能做这些题。

继续发展两种具有不同专长的智力，对我们来说肯定是有利

的。这样就能最有效地完成各种不同的功能。我们甚至可以想象

将来会有许多种具有不同类型智力的计算机。而且，使用遗传工

程的方法（并在计算机的帮助下），我们甚至有可能发展出表现人

类不同智力的多种人脑。

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有了各种各样的智力，至少有可能建立一种共生关系。其中

的各方将会相互合作，学会怎样才能最好地了解大自然的规律，以

及我们应该如何遵循这些规律才会尽量不造成损害。这种合作的

结果肯定比其中任何一种智力单独工作要强。

从这个角度来看，机器人或计算机不会取代我们的地位，而会

作为我们的朋友和同盟者，同我们一道走向光辉灿烂的未来——

只要我们在此之前不要自我毁灭。

（夏飞 译）

附录：科学中的数学

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引 力

如同我在第一章中所解释的，伽利略提出由观察和实验推导

出基本原理的思想，开创了近代科学。同时，他还采用了精确测量

自然现象的技术，抛弃了只是用一些笼统的词句来描述自然现象

的做法。简单地讲，伽利略把希腊思想家对宇宙的定性描述转为

定量描述。

虽然科学需要大量的数学关系式以及数学运算，而且在伽利

略看来，没有数学科学便不能存在，但是在我仔细考虑过之后，还

是决定不以数学的方式来写这本书。毕竟数学是一种高度专门化

的工具，如果以数学术语来讨论科学的进展，不仅篇幅不允许，同

时读者也应对数学有相当程度的了解。但是在这一章里，我将介绍

一两个例子，说明人们是怎样把简单的数学知识应用于科学的。

还有什么比从伽利略开始更好的呢？

牛顿第一运动定律

伽利略与比他早一世纪的列奥纳多·达·芬奇一样，怀疑掉落

的物体在掉落的过程中，速度会不断地增加。他开始准确地测量

这个速度是多少以及以何种方式来增加。

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对伽利略来说，用他在

1600年所能使用的工具进行这种测

量，真是困难极了。要计算速度就得计算时间。我们谈到速度时，

常说每小时

60公里，或每秒

13米，但是在伽利略时代只有那种每

隔一段大约相等的时间敲打一下的老式时钟。

伽利略利用一个很简陋的水钟。他让水从一个小孔中漏出，

滴进一个杯子里，满怀希望地假设水是以恒定的速率滴出的。通

过测量一个事件发生期间所收集的水的重量，伽利略计算出经过

的时间。他有时也用自己的脉搏来计算时间。

然而有一个问题是：物体掉落得太快了，以至于在掉落的时间

里，伽利略无法收集足够的水去做精确的称量。因此，他便把一个

铜球放在倾斜平面的凹槽中下滑，以减弱引力的拉力。平面愈趋

于水平，球滚得也就愈慢。这样，伽利略就可以随心所欲地研究在

任何角度做慢速运动的落体。

伽利略发现，一个在理想化水平面上运动的球，如果不考虑摩

擦力的话（在伽利略粗糙测量的限度内，可以这样假定），它的速率

是一定的，由于在水平轨道中运动的物体和引力成垂直，因此其速

度不会受引力的影响。任何人都可以看到，一个在水平平面上静

止的球，始终保持静止，而伽利略观察到，一个在水平平面上开始

运动的球，会以匀速运动。

从数学的观点来看，可以说：在没有外力的作用下，一个物体

的速度

v是一个恒定值

k，或者说：

v＝k .

如果

k是非零的数，则球匀速运动。如果

k是零，那么球便是静

止的；因此，静止可以说是匀速运动的一个“特例”。

大约一个世纪后，牛顿把伽利略有关落体的发现加以整理，发

现了牛顿第一运动定律，也称为惯性定律。这个定律说：任何物体

不受外力就不会改变它原本静止或匀速度直线运动的状态。

附录：科学中的数学

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然而，当一个球从倾斜的平面下滑时，会持续地受到引力的作

用，伽利略发现它的速度并不是一个恒定值，而是随时间增加。伽

利略的测量表明，速度和经过的时间

t成正比。

换句话说，当一个物体在一恒定外力的作用之下，从静止开始

时，它的速度可以表示为：

v＝kt .

那么

k的值是多少呢？

从实验中很容易发现，这个值和斜面的坡度有关。斜面愈近

于垂直，球滚动的速度就愈快，

k值也就愈大；在斜面完全垂直时，

也就是在没有减弱的引力作用的情况下，球自由落下时，速度增加

得最快。在引力没有减弱的情况下，常用

g来表示

k，所以一个从

静止开始的自由落体，它的速度是：

v＝gt .

让我们来考虑一下斜面。在这个图

中：

斜面的长度是

AB，高度是

AC。AC

对

AB的比值是角度

x的正弦，通常写

为

sinx。

我们可以依照特定的角度绘出三角形，然后量出它的高及斜

面长度，求得

sinx的近似值。或者是用数学的技巧，求出任一精

确角度的值。把这些值可以列成一个表，通过查阅表，我们就可得

到任一角度的值，比方说

sin10°大约是

0.17365，Sin45°差不多是

0.70711等等。

有两个重要的特殊情况：假设“倾斜的”平面呈完全水平，那么

角度是零，这倾斜面的高度也是零，则高度对斜面长度的比值当然

也是零。换句话说，

Sin0°=0。当倾斜面完全垂直时，它与底面构

成直角，或

90°角。它的高正好等于它的长，因此两者的比率是

1。

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因此，sin90°＝1。

现在，让我们回到由斜面滑下的球的速度与时间成正比的方

面来：

v＝kt

实验可以证明，k值随角度的正弦而变化，因此：

k＝k'sinx

k'用来表示一个和

k不等的常数。

其实，三角函数和斜面的关系，早在伽利略时代之前，就已经

由史蒂文发现，他也做了著名实验，就是把不同质量的物体从一个

高度掉下；已往大家都误认为这个实验是伽利略做的。不过，即使

伽利略不是第一位做实验和做测量的人，他也是第一位让科学界

深深了解到实验及测量之必要性的人。就这一点而言，成就已是

相当辉煌了。

在斜面完全垂直的情况下，

sinx成了

sin90°，其值是

1，所以在

自由落体中：

k＝k'

也就是说，k'是在自由落体中承受未被减弱的引力作用时的

k

值，这个值我们已经说过用

g来表示，我们可以用

g来代替

k'，因

此对于任何坡度的斜面来说：

k＝gsinx

所以，一个由斜面上滑下的物体，其速度方程是：

v＝（gsinx）t

在水平平面上，因为

sinx＝sin0°=0，所以速度方程为：

v＝0

也可以这样说，一个在水平面上一开始就静止的球，无论经过多少

时间，都会保持不动。一个静止的物体有保持静止的倾向等等，这

是牛顿第一运动定律的一部分，是由斜面的速度方程推导出来的。

附录：科学中的数学

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假设一个球并不是从静止开始，而在开始下落之前就有一初

始运动。换句话说，假设你有一球沿水平平面以每秒

5米的速度

滚动着，突然滚到一个斜面的上端点而开始往下滚。实验表明，在

下滚的任何时刻，球的速度要比从静止开始下滚的速度大每秒

5

米。换句话说，一个从斜面下滚的球，它的运动方程可以更完整地

写为：

v＝（gsinx）t +V

V是起始速度。如果一个物体从静止开始，那么

V等于零，这时

运动方程就成了我们以前写过的：

v＝（gsinx）t

如果我们再考虑一个具有某个起始速度，而在水平平面上运

动的物体，因为角度

x是

0°，所以方程成为：

v＝（gsin0°）+V

因为

sin0°是零，所以也可以写成：

v＝V

因此，像这样的物体，不管时间经过多久，它的速度会始终保持起

始的速度。这是牛顿第一运动定律的另一部分，也是从观察斜面

运动推导出来的。

速度改变的快慢程度叫做加速度。比方说，一个从面上滚

下来的球，在相继的每一秒钟结束的时候，它的速度是每秒

2、4、

6、8……米，那么它的加速度便是

2米每秒平方，通常写为

2米/秒2）。

在自由落体中，如果我们用这个方程：

v＝gt

则在每秒的下落中，速度会每秒增加

g米。因此，g便表示由引

力造成的加速度。

g的值可以由斜面实验来决定。我们将斜面方程改写为：

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g＝v/（tsinx）.

由于

v、t和

x都可以测量，由此

g便可算出。结果在地球表面

上，它的值是

9.8米每秒平方。在地球表面正常引力下的自由落

体，下落速度和时间的关系便可写为：

v＝9.8t

这就是对伽利略当初所提问题的解答，也就是决定落体的速率，以

及该速率变化的方式。

下一个问题是：在一定的时间之内，球降落了多少呢？从速度

与时间的关系方程，可以用微积分中积分的方法，导出距离及时间

的关系。然而这样做并无必要，因为这一方程可以由实验做出，而

且实际上伽利略已经做出了。

他发现，从斜面上滚下来的球所走的距离和时间的平方成正

比。换句话说，时间加倍距离会增为

4倍；时间

3倍则距离会增为

9倍，依此类推。

对一个自由落体而言，距离

d和时间的方程是：

d＝1/2gt2

因

g等于

9.8，也可以写为：

d＝4.9t2

接下去，假设物体不是由静止开始下落，而是从高空中水平地

抛出，它的运动将会由两种运动合成，一种是水平的，另一种则是

垂直的。

在水平方向上，如果我们不考虑风力、空气阻力等等，则由于

除了开始的冲力外，并没有其他任何作用力，所以根据第一定律，

是一种匀速运动，因而物体所走的水平距离跟经过的时间成正比。

然而在垂直方向上所走的距离，如同我们刚才解释过的，和时间的

平方成正比。在伽利略之前，人们含糊地相信，一个类似炮弹的抛

射体会依直线运动，直到推动它的推力用完，再垂直地落下。但伽

附录：科学中的数学

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利略却有了巨大的进展，他把这两种运动结合起来了。

这两种运动的结合（与时间成正比的水平方向运动和与时间

的平方成正比的垂直方向的运动），形成了一条叫做抛物线的曲

线。即使一个物体不是水平地被抛出，而是向上或向下抛出，其运

动的曲线仍是一条抛物线。

这样的运动曲线当然适用于像炮弹一类的抛射体，所以也有

人称之为弹道。从伽利略对弹道所做的数学分析，使我们能计算

出当一枚炮弹以一定的爆炸力量和一定的仰角发射时，它将落于

何处。虽然几千年来人们曾经为了好玩、为了觅食、为了攻击或防

御而扔东西，但是由于伽利略的实验和测量，才产生了一门叫弹道

学的科学。说来也巧，这也是现代实验科学直接用于军事的第一

项成果。

在理论上这项成果也有相当重要的应用。把一种以上的运动

加以结合的数学分析，解决了哥白尼学说的一些异议。它说明了

向上抛出的物体不会被运动着的地球甩掉，因为这个物体有两种

运动：一种是由上抛时的推力所造成，另一种则由运动的地球所造

成。这个分析立刻使我们很合理地期望地球也有两种运动：绕轴

自转和绕太阳公转；这是不相信哥白尼学说的人所无法想象的。

牛顿第二和第三定律

牛顿把伽利略的运动概念扩展到天体，证明这些运动定律在

天体中也像在地球上一样适用。

他开始考虑月球由于受到地球引力的缘故，可能朝地球降落，

但是由于运动的水平部分使它不致于撞击到地球表面。如同前面

所说的，一个水平发射的抛射体，会沿着抛物线路径向下而和地球

表面相交；但是由于地球是球体，它的表面也向下弯曲，当以足够

快的水平运动速率发射的抛射体，可能向下弯曲的速率不如地球

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表面下弯得快，因此抛射体会永远围绕着地球旋转。

现在，月球绕地球的椭圆运动可以分成水平和垂直运动两种

成分，垂直运动使月球每秒朝地球落下大约

0.13厘米；在这段时

间里，它在水平方向移动了大约

1 006米，足以补偿它的下落，使

它继续绕地球曲率运转。

问题是：导致月球下落

0.13厘米和从树上掉下来的苹果在第

一秒内降落

4.9米是否是同一引力所造成的呢？

牛顿设想，地球表面的引力，像是一个正在膨胀的大球，向各

个方向上扩展。球的表面积

A则和半径的平方成正比：

A＝4πr2

他因此推断：分布于球面的引力，必然随半径的平方而减弱。光和

声音的强度是随距离的平方而减弱的，引力又何以不会这样呢？

地球中心到它表面上一个苹果的距离差不多是

6 400公里，而

从地球中心到月球则大约是

386 000公里。由于到月球的距离比到

苹果的距离大

602倍，所以地球对月球的引力比对苹果的引力弱

602倍，或者说弱

3 600倍。将

4.9米除以

3 600，得数约为

0.13厘

米。因此牛顿认为，月球的确受到地球引力吸引的支配而运动。

牛顿继续考虑质量和引力的关系。一般来说，我们把质量和

重量混为一谈，但重量只是受到地球引力吸引的结果，如果没有引

力，一个物体会变得没有重量；然而，它还是保持着一定的质量。

因此，质量与重量无关，应该能够用一种不涉及重量的方法来计

量。

假设你在一个完全没有摩擦的平面上，与地球表面成水平地

拉动一个物体。虽然已经没有任何来自引力的阻力，由于物体惯

性的缘故，你仍需用力才能使这个物体移动，并加速它的运动。

如果你精确地测量所施的力，比方说，通过拉动附在物体上的

弹簧秤，你会发现使物体产生一定加速度

a所需的力

f和物体的

附录：科学中的数学

附录：科学中的数学

质量

m成正比。如果你把质量加倍，你便需要花两倍的力。对一

个一定质量的物体，所需施的力和想要的加速度成正比。以数学

的方式来讲，可以用这个方程来表示：

f＝ma

这就是牛顿第二运动定律。

正如伽利略所发现的，地球的引力使所有的物体，不管轻的或

重的，都以完全相同的速率加速。空气阻力可能使非常轻的物体

的降落速度减慢，但是在真空中，一根羽毛和一铅块会降落得一样

快，这很容易证明。如果牛顿第二运动定律成立，那我们可以推出

这样的结论：地球的引力作用，对重的物体要比对轻的物体来得

大，才能产生相同的加速度。比方说，要加速一个质量是另一个物

体

8倍的东西，则需要

8倍的力。因此，作用于任何物体上的地球

的引力都必然和它的质量正好成正比。事实上，这便是在地球表

面上质量可以计量得和重量一样的原因。

牛顿还推导出第三运动定律：对于每一作用，都有一大小相

等、方向相反的反作用。这个定律适用于力的观念。换句话说，如

果地球以一定的力吸引月球，那么月球也以相等的力吸引地球。

按照第二定律，如果月球的质量突然加倍，地球作用在它上面的力

也会随之加倍。当然，按照第三定律，月球对地球的引力也会加

倍。

同样，如果不是月球，而是地球的质量加倍，按照第二定律，月

球作用在地球上的引力会加倍，同时按照第三定律，地球作用于月

球的引力也会加倍。

如果地球和月球的质量都加倍，则会有两个加倍，每一个物体

的引力都会加倍两次，总共增加为

4倍。

在这种推理之下，牛顿只能做出这样的结论，就是宇宙中任何

两个物体之间的引力和它们质量的乘积成正比。同时，当然也和

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两者中心的距离之平方成反比。这就是牛顿的万有引力定律。

如果我们用 f 表示引力，m1和 m2表示两物体的质量，d表

示两者之间的距离，那么这个定律可以写成：

Gm m

f =

12

2

d

G是万有引力常数，它的值可以用来测量地球的重量（详见第四

章）。牛顿推测在宇宙各处 G都是一个恒定值。随着时间的推

移，人们发现在牛顿时期未能看见的行星，以牛顿定律的要求在运

动，甚至遥远的双星也按照牛顿关于宇宙的分析在运行。

这一切都是由伽利略对宇宙的新的定量观点得来的。你可以

看得出，牵涉到的数学大都十分简单，所提到的都是高中代数而

已。

事实上，我们上面所介绍的最重要的一项智慧革命是：

1. 简单的一组观察，任何学过高中物理的学生稍微接受一点

指导就有可能做出来。

2. 简单的一组只有高中程度的数学概念。

3. 两位杰出的天才，伽利略与牛顿。他们有特殊的洞察力和

创造力，因而首先完成了这些观察和推论。

相 对 论

由伽利略和牛顿所推衍出的运动定律必须依靠一项假设，就

是绝对运动的存在。所谓绝对运动，也就是相对于静止物体的运

动。我们知道宇宙中的每一个物体，如地球、太阳以及所有的银河

系都在运动，那么在宇宙中，我们怎样才能找到绝对的静止，来测

附录：科学中的数学

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量绝对的运动呢？

迈克耳孙-莫雷实验

由于这条思路，引出了迈克耳孙 -莫雷实验，而这个实验又导

致如同当年伽利略那样伟大的科学革命。在这里，基本的数学也

是相当地简单。

这个实验是尝试测定地球相对于以太的绝对运动。以太被认

为充满了整个宇宙，而且是静止的。实验的推理如下：

假设有一束光，沿地球运行的方向通过以太；在这个方向的某

处，固定一面镜子把这束光反射回光源。让我们以 c来表示光的

速度，以 v来表示地球通过的以太的速度，光源离镜子的距离是

d。光束以它自己的速度加上地球的速度开始，也就是一般所说

的顺风。它到达镜子需要的时间是 d除以（ c + v）。

然而在回程中，情况正好相反。反射的光束正好逆着地球的

速度方向射过来，因此它的净速度是 c -v，它返回光源所需的时

间是 d除以（ c -v）。

往返一次所需的总时间是：

dd

+

cv c .

+

v

把这两项做代数的相加，我们得到：

( .

v) +

dc +

v) dc .

dv +

dc +

dv

dc (2dc

==

22 22

(c +

v)( c .

v) c .

vc .v

现在假设光束进行的方向和地球通过以太的方向垂直，那么

这束光从 S射向距离 d处的镜子 M时，在光束到达镜子的这段

时间里，地球的运动已把镜子从 M带到 M'处，所以光束真正走的

路径是从 S到 M'。这个距离我们叫它 x，而从 M到 M'的距离叫

做 y（见下页图）。

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当光束以速度

c在距离

x中

运动时，镜子也以地球速度

v在

距离

y中运动。由于光束和镜子

同时到达

M'，因此所走的距离必

然和各自的速度成正比。所以，

yv

=

x c

或者：

y =vx

c

现在，我们可以用毕达哥拉斯定

理（勾股定理）求出

x的值。毕

氏定理告诉我们，在直角三角形中，两直角边的平方和等于斜边的平

方。因此，以

vx/c代表

y，在直角三角形

SMM'里：

22 .

vx .2

x =

d +.

.

.

c .

2 .

vx .22

x .=

d

..

.

c .

22

vx x2.

2 =

d 2

c

22 22

cx .

vx 2

2 =

d

c

2 22 22

(c .

v )x =

dc

22

2 dc x =

c2.

v2

dc

x =

c2.v2

光束在

M'被镜子反射回到光源，在这段时间内光走到

S″。

由于

S'S″和

SS'距离相等，所以

M'S″的距离也就等于

x。所以光

附录：科学中的数学

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束走的总距离是

2x，或者是

c

22

dc

.v2

。

光束走这段距离所需的时间是：

2dc 2d

c

÷=

22 22

c .vc .v

这和光束沿地球运动的方向往返一次所需的时间比起来是怎

样呢？让我们把平行情况下所需的时间

...

c22.

dcv2

.

..

除以垂直情况下

..

所需的时间

..

c

22

d

.v2 ..

：

22 22

2dc 2d 2dc c .v cc .v

÷

=×

=

22 22

c2 .v2 c2 .v2 c .v 2dc .v

因为每一个数被自己的平方根来除，得到的商是自己的平方

根，也就是说

x / x =x ，因此，

x / x =1/ x 。所以最后的式

子简化为：

c

c2 .v2

如果我们把分子和分母同时乘上

1/c2 （等于

1/c）的话，上

面的式子可以进一步简化为：

c 1/c2 c /c 1

==

222 2222 22

c .v 1/cc /c .v /c 1.v /c

这就好了。这就是平行于地球运动方向和垂直于地球运动方

向光束所需的时间比。对于任何比零大的

v值，1/ .2/2

1 vc 都

大于

1。因此，如果地球正在穿越静止的以太，那么光束在地球运

动方向上所走的时间，要比在垂直方向上所走的时间长。事实上，

平行的运动需要时间最多，而垂直的运动需要时间最少。

迈克耳孙和莫雷准备以实验来测量光束在传播期间的方向差

异。他们使光束在各方向上被反射回来，同时以相当精确的干涉

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计测量返回的时间。他们认为应该可以得到相当大的速度差，光

速最低值应该产生在和地球绝对运动平行的方向，而最高值则应

当产生在垂直的方向。根据速度的差值，地球的绝对运动速度及

方向应该都可以求出来。

结果他们发现，改变方向之后，光速并没有任何差别。换句话

说，无论光源怎么运动，光速始终都等于

c。这和牛顿运动定律明

显地不符。在尝试测量地球绝对运动之时，迈克耳孙和莫雷不仅

怀疑以太的存在，而且怀疑绝对静止和绝对运动的整个概念，也怀

疑牛顿宇宙系统的基础。

斐兹杰惹方程

爱尔兰物理学家斐兹杰惹想出了一个方法来挽救这种状况。

他提出，所有物体的长度会在自己的运动方向上缩短，缩短的量是

1 2/2 ，因此：

.

vc

'L=

/1.

2/ 2

Lvc

L'是一个运动物体在它的运动方向上的长度，而

L则是静止时的

长度。

斐兹杰惹指出，缩短的量

1.

vc

2/ 2 正好抵消在迈克耳孙-莫

雷实验中光速最大值和最小值的比

1.

vc

2/ 2 。因此比会成为

1，而光速则不论光源如何通过以太，对我们的测量工具和感官而

言，各个方向都是相等的。

在正常状况下，缩短的量非常之少。即使一个物体的运动速

度是光速的

1/10，或者说是每秒

29 980公里，依照斐兹杰惹方程，

也只会缩短一点点，把光速当做

1，这个方程告诉我们：

.

0.1 .2

L'L1

=

..

.

.

1 .

附录：科学中的数学

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L' =L 10.01

.

L' =L 0.99

因此

L'变成大约

0.995L，缩短的量只有

0.5%。

对运动物体而言，像这样的速度只会发生在亚原子粒子的领

域中。一架时速

3 000公里的飞机，它的缩短量小到几乎可以不

计，你自己可以算算看。

在什么样的速度下，一个物体会缩短为静止长度的一半呢？由

于

L'等于

L的

1/2，斐兹杰惹方程变成：

L /2 =L 1.v2/ c2

用

L来除变为：

2/2

1/ 2 =1.vc

把方程两边平方：

=.2/ 2

1/4 1 vc

22

vc/ =3/4

v =

3/4 c =0.866 c

因为在真空中光速是每秒

299 800公里，所以要使物体缩短一半长

度的速度是

299 800公里的

0.886倍，大约是

259 600公里。

如果一个物体以光速进行，那么

v就等于

c，方程就变成：

L' =L 1.v2/ c2 =L 0 =0

因此在光速时，在运动方向上的长度变成零，所以没有任何速度可

能超过光速。

洛仑兹方程

在斐兹杰惹提出他的方程后不到

10年，便发现了电子，科学家

们开始研究这种微小的带电粒子的性质。H. A. 洛仑兹发展出一种

理论，认为带一定电荷的粒子，其质量和它的半径成反比。换句话

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说，一个粒子的电荷聚集在愈小的体积里，它的质量也就愈大。

现在，如果一个粒子因为它的运动而被缩短，它在运动方向上

的半径将按照斐兹杰惹方程而减少。以符号

R和

R'代替

L和

L'，我们写下方程：

R' =

R 1.

v2/ c2

R' / R =

1.v2/ c2

由于粒子的质量和它的半径成反比，因此：

R' M

=

R M'

M是粒子静止时的质量，而

M'是运动时的质量。

以

M/M'代替

R/R'放入上面的方程里，我们得到：

M 22

=

1.

/

vc

M'

M

M' =

1.2/ 2

vc

洛仑兹方程可以和斐兹杰惹方程一样应用。例如，以

1/10光速运

动的粒子，视质量

M'会比静止质量

M高出

0.5%。在每秒

259 600公里的速度时，粒子的视质量会是静止质量的两倍。

最后，对一个运动速度等于光速

c的粒子，洛仑兹方程变成：

MM

M' ==

2 20

1./

vc

当分数中的分子是一个定数而分母愈来愈小（趋近于零）时，分数

的值会变得愈来愈大，而且没有极限。换句话说，从上面的方程看

来，一个以趋近于光速运动的物体，它的质量会变得无穷大，再一

次地证明了光速是所能达到的最大速度。

所有这些都使爱因斯坦决定要改写运动定律和引力定律。他

考虑了一个宇宙，在这个宇宙中可以期望得到迈克耳孙

-莫雷实验

附录：科学中的数学

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的结果。

然而问题还没完全解决。请注意，在洛仑兹方程中，假设 M

的数值大于零，这对于大部分我们所熟悉的粒子，和所有由这些粒

子构成的物体，从原子到星球，都是对的。但是有一些粒子——中

微子和反中微子，它们在静止时的质量（或静止质量）M等于零；

对光子而言也是如此。

这些粒子在真空中以光速行进，它们刚形成时就以这种速度

运动，测量不到有任何的加速时间。

我们可能会怀疑，如果一个光子或一个中微子从未静止过，而

只有在以每秒 299 800公里的匀速运动中（在没有干扰的情况下）

才能存在，那么我们怎么可以说它们有静止质量呢？因此物理学

家比兰尼克和苏达杉建议，把 M称为固有质量。对一个质量大

于零的粒子，它的固有质量等于这粒子与测量的仪器和观察者相

对静止状态时所量得的质量。对一个质量为零的粒子，固有质量

必须用间接的方法推断。比兰尼克和苏达杉建议把所有固有质量

为零的粒子叫做光速子（源自拉丁语“光”），因为它们的速度是光

速；把固有质量大于零的粒子叫做次光速子，因为它们以低于光速

的速度行进，此速度也称为次光速。

1962年，比兰尼克和苏达杉开始推想比光速快的速度——超

光速所造成的结果。任何比光速快的粒子具有一个虚的质量。也

就是说，它的质量是某个普通数字乘上-1的平方根。

比方说，假设一个粒子以两倍光速行进，在洛仑兹方程中，

v＝2c，那么：

M MM

M' =

==

22 2 .3

.()c / 14cc

12 c .

/

结果成为：运动中的质量是固有质量除以 .3。但 .3等于

3 ×.1 ，因此等于 1.74 .1 。所以它的固有质量等于 M' ×

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1.74×

.1。由于任何包含

.1的量都被称为虚数，因此我们

可以推导出：速度超过光速的粒子，必然有一个虚的固有质量。

在我们正常宇宙中的正常粒子，始终都有等于零或者大于零

的质量；一个虚的质量在我们的宇宙中没有可以想象得到的重要

性，这是否意味比光速快的速度不可能存在呢？

不见得。如果承认虚的固有质量存在，我们便可以利用超光

速粒子来满足爱因斯坦的狭义相对论方程。然而这样的粒子显示

出一种佯谬的性质：它们走得越慢，所含的能量也就越多。这和我

们宇宙中的情形正好相反，而可能是虚质量的特性。一个具有虚

质量的粒子在碰到阻力时会加速，而受到一个力推动时会减速，随

着能量的减少，它愈走愈快，直到能量为零时，它的速度会是无限

大；随着能量的增加，它愈走愈慢，直到能量趋近于无穷大时，会降

低到接近光速。

像这种速度超过光速的粒子，美国物理学家范伯格起了个名

字叫超光速粒子。这个词在希腊文中是“速度”的意思。

因此我们可以想象存在着两种宇宙：一种是我们的宇宙，叫次

光速宇宙，在这种宇宙里所有粒子的速度都比光速低，而随着能量

的增加逐渐加速到近乎光速；另一种叫做超光速宇宙，在这种宇宙

里所有粒子的速度都比光速高，而随着能量的增加逐渐减速到近

乎光速。介于两者之间的，是无限窄的光速墙，可以被视为由两

种宇宙共同所有。

如果一个超光速粒子有足够的能量使它足够慢地运动，这足

够的能量或许能使它停留在某一点很久，而在这段时间内爆发出

可以探测到的光子。即使在真空中，超光速粒子也会以切伦科夫

辐射的形式，留下光子的痕迹。科学家们正在观察着这些光子的

爆发，但是，这些爆发很少发生，而且发生时间只有

1万亿分之一

秒甚至更短，所以要使一具仪器正好放在爆发产生的地方，这种机

附录：科学中的数学

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会实在不是很多。

有一些物理学家相信，凡事只要不是不可能，就一定会发生。

换句话说，任何现象只要不违反守恒定律，则必然会在某些时候发

生；或者说，只要超光速粒子不违反狭义相对论，则它们必然存在。

然而，即使最相信这是宇宙必具的一种“整齐性”的物理学家，也会

很乐于得到一些不受禁止的超光速粒子的证据。到目前为止，他

们尚未有任何发现。

爱因斯坦方程

爱因斯坦将洛仑兹方程的结果加以发展，产生了可能是科学

界有史以来最伟大的方程。

洛仑兹方程可以写为：

22 .1/2

M' =

M (1.v / c )

因为代数符号

1／

x可以写为

x－1/2。这样这道方程便可以用牛顿

发现的一个公式（即二项式定理）展开，也就是转换成一个项系列。

洛仑兹方程所能展开的项数无穷多，但由于每一项都比前一

项来得小，如果只取前两项的话仍大致正确，其余项的总和太小，

以致可以被忽略。展开后成为：

2

22 .1/2 1/2 v

(1.

/) =

12

vc +

……

c

代入洛仑兹方程，得到：

.

1/ 2 v2 .

1/ 2 Mv 2

M' =

M 1+=

M +

.

.

c2 .

c2

..

在经典物理学中，

1/2Mv2表示一个运动物体的能量，若我们

以符号

e代表能量，则上式变成：

M'M +

e /2

=

c

.

c2

M'M =

e /.

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由运动所引起的质量增加（

M'－M）可以用

m来表示，所以：

m＝e/c2

或者：

e＝mc2

正是这个方程第一次指出，质量是能量的一种形式。爱因斯

坦继续证明这个方程适用于所有的质量，而不仅是由于运动所增

加的质量。

在这里牵涉到的大部分数学知识同样只有高中程度。但它却

展现给世人一个新的宇宙观，比牛顿的宇宙观还要伟大、还要广

阔，同时它也指出了获得具体结果的道路。例如，它指出了通向核

反应堆和原子弹之路。

（陈崇光 译）

人名译名对照表

人名译名对照表

①

A

Abbe, Ernst Karl 阿贝

Abderhalden, Emil 阿伯德哈顿

Abel, Frederick Augustus阿贝尔

Abelson, Philip 艾贝尔森

Acheson, Edward Goodrich 艾奇孙

Adam亚当

Adams, John Couch J. C. 亚当斯

Adams, Leason Heberling L. H. 亚当斯

Adams, Walter Sydney W. S. 亚当斯

Addison, Thomas 艾迪生

Adrian, Edgar Doublas艾德里安

Agamemnon 阿伽门农

Agassiz, Jean Louis Rodolphe阿加西斯

Aiken, Howard艾肯

Airy, George Biddell 爱里

Albert, (prince) 阿尔贝特（王子）

Alburger, David Elmer 阿尔贝格

Alcmaeon 阿尔克美翁

①此表包括本书上下册的全部人名。

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Alder, Kurt 阿尔德

Alfven, Hannes 阿耳文

Alhazen 海桑

Allbutt, Thomas Clifford奥尔巴特

Alvarez, Luis walter阿尔瓦雷茨

Alvarez, Walter 阿尔瓦雷斯

Amagat, Emile Hilaire阿玛加特

Ambartsumian, Victor Amazaspovich阿姆巴楚米扬

Amontons, Guillaume 阿蒙通

Ampère, André Marie安培

Amundsen, Roald阿蒙森

Anderson, Carl David安德森

Andrews, Thomas 安德鲁斯

Angstrom, Anders Jonas埃斯特朗

Apian, Peter 阿皮安

Appert, Fran.ois阿佩尔

Appleton, Edward Victor阿普顿

Aquinas, Thomas 托马斯·阿奎那

Archimedes阿基米得

Archytas 阿契塔

Aristarchus阿利斯塔克

Aristotle亚里士多德

Armstrong, Edwin Howard E. H. 阿姆斯特朗

Armstrong, Neil Alden N. A.阿姆斯特朗

Arnon, Daniel Israel阿诺恩

Arp, Halton C.阿普

Arrhenius, Svante August阿伦尼乌斯

人名译名对照表

人名译名对照表

克

Aschheim, Selman 阿什海姆

Ashurbanipal亚述巴尼拔

Asimov, Isaac阿西莫夫

Astbury, William Thomas 阿斯特伯里

Aston, Francis William阿斯顿

Atlas阿特拉斯

Aumann, Harmut H. 奥曼

Avery, Oswald Theodore 艾弗里

Avogadro, Amedeo阿伏伽德罗

B

Baade, Walter 巴德

Babbage, Charles 巴贝奇

Babinet, Jacques巴俾涅

Babinski, Fran.ois Félix巴彬斯基

Bacon, Francis F.培根

Bacon, Roger R. 培根

Baekeland, Leo Hendrik 贝克兰

Baer, Karl Ernst von K. 贝尔

Baeyer, Adolf von 拜耳

Baffin, William 巴芬

Baird, John Logie贝尔德

Baker, B. L. B. L.贝克

Baker, C. P. C. P.贝克

Balfour, Francis Maitland鲍尔弗

Balmer, Johann Jakob 巴耳末

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Bang, Olaf班

Banting, Frederick Grant班廷

Bardeen, John 巴丁

Barghoorn, Elso Sterrenberg巴洪

Barkhausen, Heinrich 巴克好森

Barkla, Charles Glover 巴克拉

Barnard, Chistiaan C. 巴纳德

Barnard, Edward Emerson E. E. 巴纳德

Barnes, D. E.巴恩斯

Barringer, Daniel Moreau 巴陵格

Bartlett, Neil巴特勒特

Barton, Otis巴顿

Basov, Nicolai Gennediyevich巴索夫

Bateson, William 贝特森

Baum, William Alvin鲍姆

Baumann, Eugen鲍曼

Bawden, Frederick Charles鲍登

Bay, Zoltan Lajos 巴伊

Bayliss, William Maddock比德尔

Beadle, George Wells贝利斯

Becker, Herbert 贝克尔

Beckwith, Jonathan 贝克威思

Becquerel, Alexandre Edmond A. E. 贝克勒耳

Becquerel, Antoine Henri A. H. 贝克勒耳

Beebe, Charles William毕比

Beer, Wilhelm比尔

Beguyer de Chancourtois, A. E. 比古耶·德·尚库图

人名译名对照表

人名译名对照表

贝林

Beijerinck, Martinus Willem 贝哲林克

Bell, Alexander Graham A. G.贝尔

Bell, Jocelyn J. 贝尔

Bell, Peter M. P. M.贝尔

Bellingshausen, Fabian Gottlieb别林斯高津

Benda, C.本达

Beneden, Eduard van范贝内登

Benedict, Francis Gano 贝内迪克特

Bennett, Floyd 贝内特

Benz, Karl本茨

Berg, Otto柏格

Berg, Paul伯格

Berger, Hans伯杰

Bergius, Friedrich伯吉尤斯

Bergmann, Max伯格曼

Berkner, Lloyd 伯克纳

Berliner, émile 伯林纳

Bernard, Claude贝尔纳

Bernoulli, Daniel伯努利

Berthelot, Pierre Eugène Marcelin 贝特洛

Berzelius, J.ns Jacob 贝采利乌斯

Bessel, Friedrich Wilhelm贝塞尔

Bessemer, Henry 贝色麦

Best, Charles Herbert贝斯特

Bethe, Hans Albrecht贝特

Biermann, Ludwig Franz比尔曼

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Bigeleisen, Jacob比奇莱森

Bijvoet, Johannes Martin 比杰沃特

Bilaniuk, Olexa-Myron比兰尼克

Billroth, Theodor比尔罗特

Binet, Alfred 比奈

Biot, Jean Baptiste毕奥

Birkeland, Olaf Kristian伯克兰

Bittner, John Joseph 比特纳

Black, Joseph 布莱克

Blackett, Patrick M.S.布莱克特

Blaiberg, Philip布莱伯格

Blanchard, Jean Pierre布朗夏尔

Blanqui, Jér.me Adolphe布朗基

Bléiot, Louis布莱里奥

Bleuler, Eugen 布洛伊勒

Bloch, Felix F.布洛赫

Bloch, Konrad Emil K. E. 布洛赫

Bloembergen, Nicolaas布洛姆伯根

Blout, Elkan Rogers 布劳特

Blumenbach, Johann Friedrich布鲁门巴哈

Bohr, Niels H. D. 玻尔

Bolt, C. T.博尔特

Bolton, John C.博尔顿

Boltzmann, Ludwig玻耳兹曼

Bonaparte, Napoleon波拿巴

Bond, George Phillips G. P. 邦德

Bond, William Cranch W. C. 邦德

人名译名对照表

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迪

Bonnett, Charles博内

Boole, George 布尔

Bordet, Jules 博尔德

Borman, Frank 博尔曼

Born, Max 玻恩

Borrel, Amédée博雷尔

Bose, Satyendranath 玻色

Bothe, Walter博特

Bouchardat, Gustave 布沙尔达

Boucher de Perthes, Jacques布歇·德·彼尔特

Boule, Marcelin 布尔

Boussard布萨德

Boussinggault, Jean Baptiste布林戈

Bouvard, Alexis 布瓦尔

Boveri, Theodor 博韦里

Bovet, Daniel博韦

Bowen, Edward George E. G.鲍恩

Bowen, Ira Sprague I. S. 鲍恩

Boyd, William Clouser博伊德

Boyle, Robert波义耳

Boylston, Zabdiel 博伊尔斯顿

Braconnot, Henri布拉孔诺

Bradley, James 布拉德莱

Brady, Matthew 布雷迪

Bragg, William Henry W. H. 布喇格

Bragg, William Lawrence W. L. 布喇格

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Brahe, Tycho 第谷

Braid, James 布雷德

Brand, Erwin 布兰德

Brandenberger, Jacques Edwin 布兰登伯热

Branley, Edouard 布冉利

Brattain, Walter Houser布喇顿

Braun, Karl Ferdinand K. F.布劳恩

Braun, Werner von 冯·布劳恩

Brearley, Harry 布里尔利

Breuer, Josef布罗伊尔

Breuil, Henri Edouard Prosper步日耶

Bridgman, Percy Williams布里奇曼

Briggs, Henry H. 布里格斯

Briggs, Robert William R. W.布里格斯

Brill, Rudolf布里尔

Broca, Pierre Paul白洛嘉

Broglie, Louis Victor de德布罗意

Broorn, Robert 布罗姆

Brown, Robert (astronomer) 布朗（天文学家）

Brown, Robert (botanist)布朗（植物学家）

Brunhes, Bernard布吕纳

Bruno, Giordano布鲁诺

Brush, Charles Francis布拉什

Bryan, William Jennings布赖恩

Buchner, Eduard毕希纳

Buffon, Georges Louis Leclerc de布丰

Buist, John Brown 布伊斯特

人名译名对照表

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伦

Bunsens, Robert Wilhelm本生

Burbank, Luther 伯班克

Burke, Bernard 伯克

Burnet, MacFarlane伯内特

Burt, Cyril Lodowic伯特

Bury, C.R.布里

Bush, Vannevar 布什

Butenandt, Adolf布特南特

Byrd, Richard Evelyn 伯德

C

Cabrera, Blas卡伯雷拉

Cagniard de la Tour, Charles 卡格尼亚尔·德拉图尔

Cailletet, Louis Paul凯泰

Callinicus卡利尼库斯

Calvin, Melvin卡尔文

Canaan 迦南

Candolle, Augustin Pyramus de康多尔

Cannizzaro, Stanislao坎尼扎罗

Cannon, Annie J. A. J. 坎农

Cannon, Walter Bradford W. B. 坎农

Canton, John康顿

Capek, Karel恰彼克

Capp, Al卡普

Capra, J. Donald卡普拉

Cardano, Geronirno卡尔达诺

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Carlson, Chester 卡尔森

Carnot, Nicolas Léonard Sadi卡诺

Carothers, Wallace Hume卡罗瑟斯

Carpenter, Roland L.卡彭特

Carrel, Alexis卡雷尔

Carrier, Willis Haviland卡里尔

Carrington, Richard Christopher卡林顿

Carson, Rachel Louise卡森

Cartier, Jacques 卡蒂埃

Caspersson, Torbj.rn 卡斯拍松

Cassini, Jacques J. 卡西尼

Cassini, Jean Dominique J. D. 卡西尼

Cassiodorus, Flavius卡西奥多鲁斯

Castle, William Bosworth卡斯尔

Cavendish, Henry卡文迪什

Caventou, Joseph Bienaimé卡芳拉

Cayley, George 凯莱

Celsius, Anders 摄尔西乌斯

Chadwick, James 查德威克

Chaffee, Roger 查菲

Chain, Ernst Boris钱恩

Chamberlain, Owen 张伯伦

Chamberlain, Thomas Chrowder 钱柏林

Champollion, Jean Fran.ois商博良

Chance, Britton 钱斯

Chandrasekhar, Subrahmanyan张德拉塞卡

Chapman, Sydney查普曼

人名译名对照表

人名译名对照表

内

Chargaff, Erwin 查加夫

Charles II (King)查理二世

Charles, Jacques Alexandre César查理

Charpentier, Johann von 夏彭蒂耶

Cherenkov, Paul Alekseyevich 切伦科夫

Chevreul, Michel Eugène 谢夫勒尔

Chiu, Hong-Yee邱洪宜（音译）

Christison, Robert克里斯蒂森

Christofilos, Nicholas克里斯托菲洛斯

Christy, James W.克里斯蒂

Churchill, Winston丘吉尔

Clairault, Alexis Claude克来罗

Clark, Alvan A. 克拉克

Clark, Wilfrid LeGros W. L. G. 克拉克

Clarke, Arthur C. A. C. 克拉克

Claude, Georges 克洛德

Clausius, Rudolf Julius Emmanuel克劳修斯

Clementi, Enrico 克莱门蒂

Clerk, Dugald D. 克拉克

Clynes, Manfred 克莱因斯

Coblentz, William Weber 柯布伦茨

Cockcroft, John Douglas科克罗夫特

Code, Arthur Dodd科德

Cohen, B. B. 科恩

Cohn, Edwin Joseph E. J. 科恩

Cohn, Ferdinand Julius F. J. 科恩

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Cleridge, Samuel Taylor 柯尔律治

Collins, Samuel Cornette柯林斯

Colt, Samuel 科尔特

Columbus, Christopher哥伦布

Compton, Arthur Holly康普顿

Conant, James Bryant科南特

Congreve, William 康格里夫

Cook, Captain James J. 库克

Cook, Newell C. N. C. 库克

Coolidge, William David库利吉

Cooper, Peter库柏

Copernicus, Nicolaus哥白尼

Copp, D.Harold 柯普

Corbet, Ruth Elizabeth 科比特

Corey, Robert Brainard R. B.科里

Cori, Carl Ferdinand C. F.科里

Cori, Gerty Theresa G. T.科里

Coriolis, Gaspard Gustave de 科里奥利

Correns, Karl Erich 科伦斯

Corson, Dale Raymond科森

Coryell, Charles DuBois科里尔

Coster, Dirk 科斯特

Cotton, Gardner Quincy 科顿

Coulomb, Charles Augustin de库仑

Couper, Archibald Scott库拍

Custeau, Jacques-Ives库斯托

Cowan, Clyde Lorrain考恩

人名译名对照表

人名译名对照表

Crafts, James Mason 克拉夫茨

Craig, Lyman Creighton克雷格

Cranston, John Arnold克兰斯顿

Crewe, A'bert Victor 克鲁

Crick, Francis Harry Compton 克里克

Cromwell, Townsend克伦威尔

Cronin, James Watson克罗宁

Crookes, William克鲁克斯

Cross, Charles Frederick 克罗斯

Cullen, William卡伦

Curie, Jacques雅克·居里

Curie, Marie Sklodowska居里夫人（斯可罗多夫斯卡）

Curie, Pierre 皮埃尔·居里

Curtis, Heber Doust柯蒂斯

Cuvier, Georges Léopold 居维叶

Cyrano de Bergerac西拉诺·德·贝热拉

D

Daguerre, Louis Jacques Mande达盖尔

Daimler, Gottlieb戴姆勒

Dale, Henry 戴尔

Dalton, John道尔顿

Dam, Carl Peter Henrik 达姆

Dandolo, Enrico丹多洛

Dante Alighieri 但丁

Danysz, Marian 丹尼兹

Darby, Abraham 达比

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D'Arrest, Heinrich Ludwig 迪阿雷斯特

Darrow, Clarence达罗

Dart, Raymond达特

Darwin, Charles Robert C. R.达尔文

Darwin, George Howard G. H. 达尔文

Daubrée, Gabriel Auguste 多布雷

Davaine, Casimir Joseph 达芬

Da Vinci, Leonardo 列奥纳多·达·芬奇

Davis, Marguerite M. 戴维斯

Davis, Raymond R. R. R.戴维斯

Davisson, Clinton Joseph戴维孙

Davy, Humphry 戴维

Dawson, Charles 道森

Debierne, André Louis 戴柏伦

De Broglie, Louis Victor德布罗意

Debye, Peter Joseph Wilhelm 德拜

DeForest, Lee 德福雷斯特

Deigado, José Manuel Rodriguez德尔加多

Delporte, Eugène德尔波特

Dement, William 德门特

Dernocritus德谟克利特

Dempster, Arthur Jeffrey 登普斯特

Desaguliers, John Théophile德萨居利埃

Descartes, Rene笛卡儿

Destriau, Georges 德斯特劳

Deutsch, Martin多伊奇

Devol, Jr., George C.小德沃尔

人名译名对照表

人名译名对照表

德弗里斯

Dewar, James迪尤尔

D' Hérelle, Félix Hubert德爱莱尔

Dicke, Robert Henry 迪克

Diebold, John迪博尔德

Diels, Otto 狄尔斯

Diener, T. O.迪纳尔

Diesel, Rudiolf 狄塞耳

Dietz, Robert S. 迪茨

Dirac, Paul Adrien Maurice狄喇克

Disraeli, Benjamin 迪斯累里

D.hareiner, Johann Wolfgang 德贝赖纳

Dobzhansky, Theodosius多布赞斯基

Doering, William von Eggers 多林

Doisy, Edward多伊西

Dole, Stephen H. 多尔

Dollfus, Audouin多尔夫

Dollond, John多朗德

Domagk, Gerhard 多马克

Donath, William Frederick 多纳思

Donn, William L. 唐

Doppler, Christian Johann多普勒

Dorfman, D. D. 多尔夫曼

Dorn, Friedrich Emst多恩

Doty, Paul Mead 多蒂

Douglass, Andrew Ellicott道格拉斯

Down, John Langdon Haydon唐恩

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阿西莫夫最新科学指南

Drake, Edwin Laurentine E. L. 德雷克

Drake, Frank Donald F. D. 德雷克

Drebbel, Cornelis德雷贝尔

Drummond, Jack Cecil德拉蒙德

Dubois, Marie E. F. T.迪布瓦

Du Bois-Reymond, Emil 杜布瓦-雷蒙

Dubos, René Jules迪博

Du Fay, Charles F. de C.迪费

Duggar, Benjamin Minge达格尔

Dumas, Jean Baptiste André 杜马

Dunning, John Ray邓宁

Du Pouy, Gaston迪普伊

Dutrochet, René Joachim Henri迪特罗谢

Dutton, Clarence Edward 达顿

Dyce, Rolf Buchanan 戴斯

E

Eastman, George伊斯曼

Eccles, John Carew 埃克尔斯

Eckert, John Presper埃克特

Eddington, Arthur Stanley爱丁顿

Eddy, John A.埃迪

Edelman, Gerald Maurice埃德尔曼

Edison, Thomas Alva 爱迪生

Edman, Pehr埃德曼

Edward VII (King)爱德华七世

Ehrlich, Paul P. 埃尔利希

人名译名对照表

人名译名对照表

希

Eijkman, Christiaan艾克曼

Einstein, Albert 爱因斯坦

Einthoven, Willem埃因托芬

Elrord, William Joseph 埃耳福德

Elizabeth I (Queen) 伊丽莎白一世

Ellerman, Wilhelm埃勒曼

Elliot, James L. 埃利奥特

Elsasser, Walter Maurice 埃尔萨塞

Elvehjem, Conrad Arnold埃尔维耶姆

Emiliani, Cesare 埃米里亚尼

Empedocles恩培多克勒

Enders, John Franklin恩德斯

Engelberger, Joseph F.恩格尔伯格

Epicurus伊壁鸿鲁

Erasistratus埃拉西斯特拉图斯

Eratosthenes埃拉托色尼

Erlanger, Joseph 厄兰格

Euclid 欧几里得

Euler, Ulf Svante von奥伊勒-克尔平

Euler-Chelpin, Hans K.A.S.von 奥伊勒-凯尔平

Evans, Arthur John伊文思

Evans, Herbert McLean埃文斯

Eve 夏娃

Evenson, Kenneth M. 埃文森

Ewen, Harold Irving 尤恩

Ewing, William Maurice尤因

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Eysenck, Hans J. 艾森克

F

Fabricius, David D. 法布里齐乌斯

Fabricius, Hieronymus H. 法布里齐乌斯

Fabry, Charles 法布里

Fahrenheit, Gabriel Daniel华伦海特

Faraday, Michael法拉第

Farcot, Léon 法尔科

Feinberg, Gerald范伯格

Feokstistov, Konstantin P.费奥克季斯托夫

Ferdinand, II (Grand Duke)斐迪南二世

Fermi, Enrico 费密

Fernel, Jean 费尔奈尔

Fessenden, Reginald Aubrey费森登

Feulgen, Robert 福尔根

Feynman, Richard Phillips 费因曼

Fick, Adolf Eugen费克

Field, Cyrus West 菲尔德

Findlay, George William Marshall芬德利

Finsen, Niels Ryberg芬森

Fischer, Emil E. 费歇尔

Fischer, Hans H. 费歇尔

Fisher, Ronald Aylmer费希尔

Fitch, John J. 菲奇

Fitch, Val Logsden V. L. 菲奇

FitzGerald, George F.斐兹杰惹

人名译名对照表

人名译名对照表

索

Flamsteed, John 弗拉姆斯蒂德

Fleming, Alexander 弗莱明

Fleming, John Ambrose 夫累铭

Flemming, Walther弗勒明

Flerov, Georgii Nikolaevich弗勒罗夫

Flexner, Josepha Barbara J. B. 弗莱克斯纳

Flexner, Louis Barkhouse L. B.弗莱克斯纳

Florey, Howard Walter弗洛里

Fluorens, Marie Jean Pierre 弗卢朗

Folkers, Karl August K. A. 福克斯

Fontenelle, Bernard Le Bovier de丰特奈尔

Forbes Jr., Edward 小福布斯

Ford, Henry福特

Foucault, Jean Bernard Léon傅科

Fourier, Jean Baptiste Joseph傅里叶

Fowler, Ralph Howard 福勒

Fox, Sidney Walter S. W. 福克斯

Fracastoro, Girolamo弗拉卡斯托罗

Fraenkel-Conrat, Heinz弗伦克尔一康拉特

Francis Joseph I (Emperor) 弗兰西斯·约瑟夫一世

Franck, James J. 夫兰克

Frank, Ilya Mikhailovich I. M. 夫兰克

Frankland, Edward 弗兰克兰

Franklin, Benjamin B. 富兰克林

Franklin, John J. 富兰克林

Franklin, Konneth Linn K. L. 富兰克林

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Franklin, Rosalind Elsie R. E.富兰克林

Fraunhofer, Joseph von夫琅和费

Frere, John 弗里尔

Fresnel, Augustin Jean菲涅耳

Freud, Sigmund弗洛伊德

Fridericia, L. S. 弗里德里夏

Friedel, Charles 弗里德

Friedman, Herbert H. 费里德曼

Friedmann, Aiexander Alexandrovich A. A. 弗里德曼

Frisch, Karl von K. 弗里施

Frisch, Otto Robert O. R. 弗里施

Fritsch, Gustav弗里茨

Fruton, Joseph Stewart弗鲁顿

Fuchs, Vivian Ernest富克斯

Fukui, Saburo福井三郎

Fulton, Robert富尔敦

Funk, Casimir 冯克

G

Gabor, Dennis 伽柏

Gadolin, Johan加多林

Gagarin, Yuri Alexeyevich 加加林

Gahn, Johann Gottlieb 甘恩

Galen 加伦

Galileo Galilei伽利略

Gall, Franz Joseph 加尔

Galle, Johann Gottfried伽勒

人名译名对照表

人名译名对照表

瓦

Galton, Francis 高尔顿

Galvani, Luigi伽伐尼

Gama, Vasco da伽马

Gamow, George伽莫夫

Ganswindt, Hermann 赫尔曼·甘斯温特

Gardner, Allen A. 加德纳

Gardner, Beatrice B. 加德纳

Garrod, Archibald Edward 加罗德

Gassendi, Pierre 伽桑狄

Gasser, Herbert Spencer加塞

Gatling, Richard 加特林

Gauss, Johann Karl Friedrich高斯

Gautier, Marthe戈蒂埃

Gay-Lussac, Joseph Louis盖-吕萨克

Geiger, Hans盖革

Geissler, Heinrich 盖斯勒

Gell-Mann, Murray盖耳曼

Germer, Lester Halbert杰默

Gernsback, Hugo 根斯巴克

Ghiorso, Albert 吉尔索

Giauque, William Francis吉奥克

Gibbs, Josiah Willard吉布斯

Gilbert, Joseph Henry 吉尔伯特

Gilbert, William吉伯

Gill, David吉尔

Gillett, Fred吉勒特

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Glaser, Donald Arthur格拉泽

Glashow, Sheldon Lee格拉肖

Glendenin, L. E. 格伦丁宁

Glenn, John Herschel格伦

Goddard, Robert Hutchings戈达德

Godwin, Francis戈德温

Goeppert-Mayer, Maria 梅耶夫人

Goethe, Johann Wolfgang von歌德

Gold, Thomas戈尔德

Goldberger, Joseph 戈德堡

Goldmark, Peter 戈德马克

Goldstein, Eugen E. 戈德斯坦

Goldstein, Richard M. R. M.戈德斯坦

Golgi, Camillo戈尔吉

Goodpasture, Ernest William 古德帕斯丘

Godricke, John古德里克

Goodyear, Charles古德伊尔

Gordon, John B.戈登

Gosse, Philip Henry 戈斯

Goudsmit, Samuel Abraham 古兹密特

Gould, Stephen Jay古尔德

Goward, F. K. 高沃德

Graaf, Regnier de R. 格拉夫

Graebe, Karl格雷贝

Graff, Samuel S. 格拉夫

Graham, Thomas 格雷姆

Gram, Hans Christian Joachim 革兰

人名译名对照表

人名译名对照表

格林

Greenstein, Jesse Leonard 格林斯坦

Grew, Nehemiah 格鲁

Griffith, Fred格里菲思

Grigniard, Victor格利雅

Grijins, Gerrit格里津斯

Grissom, Virgil I.格里索姆

Grosseteste, Robert 格罗斯泰斯特

Groth, Wilhelm 格罗特

Grove, William 格罗夫

Guericke, Otto von 居里克

Guettard, Jean Etienne盖塔

Guillaume, Charles Edouard纪尧姆

Gurdon, John B.格登

Gutenberg, Beno古滕贝格

Gutenberg, Johann 谷登堡

Guth, Alan 古思

Guyot, Arnold Henry 几岳

H

Haber, Fritz 哈伯

Hadfield, Robert Abbott哈德菲尔德

Haeckel, Ernst Heinrich 海克尔

Hahn, Otto 哈恩

Halberg, Franz 哈尔伯格

Haldane, John Burdon Sanderson霍尔丹

Hale, George Ellery海耳

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阿西莫夫最新科学指南

Hales, Stephen 黑耳斯

Hall, Angelina Stickney斯蒂克尼

Hall, Asaph A. 霍尔

Hall, Charles Martin C. M.霍尔

Hall, Marshall M. 霍尔

Haller, Albrecht von哈勒

Halley, Edmund哈雷

Halsted, William Stewart 霍尔斯特德

Ham 含

Ham, Johann哈姆

Hampson, William汉普森

Harden, Arthur 哈登

Hare, Robert 黑尔

Harkins, William Draper W. D. 哈金斯

Harris, Geoffrey W.哈里斯

Harteck, Paul哈特克

Hartmann, Johannes Franz哈特曼

Hartwig, Ernst 哈维希

Harvey, William哈维

Hata, Sahachiro 秦佐八郎

Hauksbee, Francis霍克斯比

Hawking, Stephen 霍金

Haworth, Walter Norman霍沃思

Hays, J.D. 海斯

Hazard, Cyril哈泽德

Heaviside, Oliver亥维赛

Heezen, Bruce Charles希曾

人名译名对照表

人名译名对照表

克

Heisenberg, werner海森伯

Helmholtz, Hermann Ludwig Ferdinand von亥姆霍兹

Hench, Philip Showalter 亨奇

Hencke, Karl L. 亨克

Henderson, Thomas 亨德森

Henry, Joseph 亨利

Henseleit, K. 亨斯雷特

Heraclides赫拉克利德斯

Herbig, George 赫比格

Hercules 赫刺克勒斯

Hero海洛

Herodotus希罗多德

Héroult, Paul Louis Toussaint埃鲁

Herophilus希罗菲卢斯

Herrick, James Bryan 赫里克

Herschel, John J. 赫歇耳

Herschel, William W. 赫歇耳

Hershey, Alfred Day 赫尔希

Hertz, Gustav Ludwig G. L. 赫兹

Hertz, Heinrich Rudolf H. R. 赫兹

Hertzsprung, Ejnar赫茨普龙

Herzog, R.A. 赫佐格

Hess, Harry Hammond H. H. 赫斯

Hess, Victor Francis V. F. 赫斯

Hess, Walter Rudolf W. R. 赫斯

Hevesy, Georg von赫维西

阿西莫夫最新科学指南

阿西莫夫最新科学指南

Hewish, Anthony休伊什

Heyl, Paul R. 海尔

Hill, Archibald Vivian希尔

Hillary, Edmund Percival希拉里

Hillier, James 希利尔

Hipparchus喜帕恰斯

Hippocrates希波克拉底

Hitler, Adolf希特勒

Hitzig, Eduard希齐格

Hoagland, Mahlon Bush 霍格兰

Hodgkin, Alan Lloyd A. L. 霍奇金

Hodgkin, Dorothy Crowloot D. C. 霍奇金

Hodson, G. W.霍德森

Hofmann, Robert A. 霍夫曼

Hofmann, August Wilhelm A. W.霍夫曼

Hofmeister, WIlhelm F.B. 霍夫迈斯特

Hofstadter, Robert霍夫斯塔特

Hohenheim, Theophrastus B. von霍恩海姆

Hollerith, Herman 霍勒里思

Holley, Robert William霍利

Holloway, M. G.霍洛韦

Holm, E. 霍尔姆

Holmes, Harry Nicholls H. N. 霍姆斯

Holmes, Oliver Wendell O. W.霍姆斯

Homer荷马

Hooft, Gerard’t胡夫特

Hooke, Robert R. 胡克

人名译名对照表

人名译名对照表

克

Hoover, Herbert 胡佛

Hopkins, Frederick G. 霍普金斯

Hoppe-Seyler, Felix霍佩-赛勒

Houssay, Bernardo Alberto奥赛

Hoyle, Fred 霍伊尔

Hubble, Edwin Powell哈勃

Hudson, Henry哈得孙

Huggins, William W. 哈金斯

Hughes, Vernon Willard休斯

Humason, Milton La Salle哈马逊

Humboldt, Alexander von洪堡

Hunter, William 亨特

Hutton, James 赫顿

Huxley, Andrew Fielding A. F. 赫胥黎

Huxley, Julian Sorrell J. S. 赫胥黎

Huxley, Thomas Henry T. H. 赫胥黎

Huygens, Christiaan 惠更斯

Hyatt, John Wesley 海厄特

Hyden, Holger海登

I

Ichikawa, K. 市川

Ikhnaton埃赫那顿

Imbrie, John英布里

Ingenhousz, Jan因根豪茨

Ingram, Vernon Martin英格拉姆

阿西莫夫最新科学指南

阿西莫夫最新科学指南

Isaacs, Alick 艾萨克斯

Ishtar伊什塔尔

Isis 伊希斯

Isocrates 伊素克拉底

Ivanovski, Dmitri Iosifovich 伊凡诺夫斯基

J

Jacob, Fran.ois雅各布

Jacquard, Joseph Marie 雅卡尔

Jacquet-Droz Pierre 雅克-德罗兹

James, A. T.詹姆斯

Jansen, Barend Coenraad Petrus B. C. P.詹森

Janssen, Pierre Jules César 让森

Janssen, Zacharias Z. 詹森

Jansky, Karl央斯基

Javan, Ali贾万

Jeans, James Hopwood 金斯

Jefferson, Thomas 杰斐逊

Jeffreys, Harold H. 杰弗里斯

Jeffries, John J. 杰弗里斯

Jeffries, Zay Z. 杰弗里斯

Jenner, Edward詹纳

Jensen, Johannes Hans Daniel延森

Johannsen, Wilhelm Ludwig约翰森

Johanson, Donald约翰逊

John of Gaunt约翰·冈特

Joliot-Curie, Frédéric F. 约里奥-居里

人名译名对照表

人名译名对照表

里

Joule, James Prescott焦耳

Joyce, James乔埃斯

Junkers, Hugo容克

K

Kamen, Martin David 卡门

Kant, Immanuel康德

Kapitza, Peter Leonidovich 卡皮察

Kapteyn, Jacobus Cornelis卡普坦

Karrer, Paul 卡勒

Kasper, Jerorne V. V. 卡斯帕

Katchalski, E.卡查斯基

Kauffman, Walter考夫曼

Keeler, James Edward J. E. 基勒

Keeler, Leonard L. 基勒

Keesom, A. P. A. P.凯索姆

Kessom, Willem Hendrik W. H. 凯索姆

Keilin, David 基林

Kekulé von Stradonitz, Friedrich凯库勒

Kelvin, William Thomson, Lord开尔文勋爵（W.汤姆孙）

Kendall, Edward Calvin肯德尔

Kendrew, John Cowdery 肯德鲁

Kennedy, Joseph William肯尼迪

Kennelly, Arthur Edwin肯涅利

Kepler, Johannes 开普勒

Kerst, Donald William克斯特

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Kettering, Charles Franklin凯特林

Key, Francis Scott弗朗西斯·司各特·基

Khorana, Har Gobind科拉纳

Khrushchev, Nikita 赫鲁晓夫

Kiliani, Heinrich基利阿尼

King, Charles Glen C. G.金

King, Thomas J. T. J. 金

Kipling, Rudyard吉卜林

Kipping, Frederic Stanley 基平

Kircher, Athanasius基歇尔

Kirchhoff, Gottlieb Sigismund克希霍夫

Kirchhoff, Gustav Robert基尔霍夫

Kirkwood, Daniel 柯克伍德

Klaproth, Martin Heinrich克拉普罗特

Klebs, Edwin 克莱布斯

Kleist Ewald Grorge von克莱斯特

Knoll, Max诺尔

Knoop, Franz努普

Koch, Robert 科赫

Kocher, Emil Theodor科赫尔

Koenigswald, Gustav H. R. von 凯尼格斯沃尔德

K.hler, Wolfgang克勒

Kohman, Truman Paul科曼

Kohoutek, Lajos 科胡特克

Kolbe, Adolph Wilhelm Hermann科尔贝

Koller, Carl科勒

Komarov, Vladimir M. 科马罗夫

人名译名对照表

人名译名对照表

夫

Kornberg, Arthur科恩伯格

Kossel, Albrecht科塞尔

Kowal, Charles T.科瓦尔

Kozyrev, Nikolai Alexandrovich 科兹列夫

Krebs, Hans Adolf克雷布斯

Kruse, Walther 克鲁泽

Kuhn, Richard R. 库恩

Kühne, Wilhelm W. 库恩

Kuiper, Gerard P.柯伊伯

Kurchatov, Igor Vasilievich库尔恰托夫

Kurti, Nicholas 库提

Kylstra, Johannes A.凯尔斯特拉

L

Laenneck, Rene T. H.雷奈克

Lafayette, Marquis de拉斐德

Lagrange, Joseph Louis拉格朗日

Lamarck, Jean Baptiste de拉马克

Lamont, Johann von拉蒙特

Lampland, Carl Otto兰普兰德

Land, Edwin Herbert兰德

Landau, Lev Davidovich朗道

Landsteiner, Karl 兰德施泰纳

Langerhans, Paul朗格尔汉斯

Langevin, Paul 朗之万

Langley, John Newport J. N. 兰利

阿西莫夫最新科学指南

阿西莫夫最新科学指南

Langley, Samuel Pierpont S. P. 兰利

Langmuir, Irving朗缪尔

Langsdorf, Alexander朗斯多夫

Lankard, John R.兰卡德

Laplace, Pierre Simon de拉普拉斯

Larsen, John Augustus拉森

Lartet, Edouard Armand 拉尔泰

Lassell, William拉塞尔

Laue, Max Theodore Felix von 劳厄

Laveran, Charles Louis拉韦朗

Lavoisier, Antoine Laurent拉瓦锡

Lawes, John Bennett J. B. 劳斯

Lawrence, Emest O.劳伦斯

Lazear, Jesse William拉齐尔

Leakey, Louis Seymour Burnett L. S. B.利基

Leakey, Mary M. 利基

Leavitt, Henrietta Swan勒维特

Lebedev, Peter Nicolaevich 列别捷夫

Le Bel, Joseph Achille勒贝尔

Le Canu, L. R. 勒卡努

Leccoq de Boisbaudran, Paul Emile 勒科克

·德·布瓦博德朗

Lederberg Joshua莱德伯格

Lee, Edmund 李

Lee, Tsung Dao 李政道

Leeuwenhock, Anton van列文虎克

Lehmann, Inge 莱曼

Leibnitz, Gottfried Wilhelm von莱布尼兹

人名译名对照表

人名译名对照表

思

Lejeune, Jér.me Jean勒热纳

Lema.tre, Georges勒梅特

Lemonnier, Pierre Charles勒莫尼埃

Lenard, Philipp P.勒纳

Lenoir, Etienne 勒努瓦

Leonardo of Pisa莱奥纳尔多（比萨的）

Leonov, Aleksei A. 列昂诺夫

Leopold (Prince) 利奥波德（王子）

Lerner, Richard A. R. A. 勒纳

Lettvin Jerome 莱特温

Leucippus留基伯

Levene, Phoebus Aaron Theodore列文

Leverrier, Urbain Jean Joseph 勒威耶

Lewis, G.Edward 刘易斯

Lewis, Gilbert Newton路易斯

Ley, Willy威利·莱

Li, Cho Hao 李卓浩

Libby, Willard Frank利比

Liebig, Justus von 李比希

Lilienthal, Otto 利林塔尔

Lilly, John C.利利

Lincoln, Abraham林肯

Lind, James J. 林德

Lindbergh, Charles Augustus林白

Lindbergh, Jon林德伯格

Linde, Karl von K. 林德

阿西莫夫最新科学指南

阿西莫夫最新科学指南

Linnaeus, Carolus林奈

Lipmann, Fritz Albert F. A. 李普曼

Lippershey, Hans利珀希

Lippmann, Gabriel G.李普曼

Lister, Joseph 利斯特

Lister, Joseph Jackson 利斯忒

Locke, Richard Adams 洛克

Lockyer, Norman 洛基尔

Lodge, Oliver Joseph 洛奇

Loewi, Otto勒韦

L.ffler, Friedrich August Johannes勒夫勒

Lohmann, Karl Heinrich Adolf勒曼

Lonlonosov, Mikhail Vasillievich 罗蒙诺索夫

London, Heinz 伦敦

Long, Crawford Williamson 朗

Lorentz, Hendrik Antoon H. A. 洛伦兹

Lorenz, Konard Zacharias K. Z. 洛伦茨

Lorin, René洛林

Louis XV (King)路易十五

Love, Augustus Edward Hough 洛夫

Lovell, Bernard洛维耳

Lowell, Percival 洛威尔

Lucian of Samosata 卢奇安

Lucretius卢克莱修

Lunge, George 隆哥

Luther, Martin 马丁·路德

Lwoff, André Michael利沃夫

人名译名对照表

人名译名对照表

尔

Lynen, Feodor 吕南

Lyons, Harold莱昂斯

Lyot, Bernard Ferdinand李奥

Lysenko, Trofim Denisovich李森科

Lyttleton, R. A. 利特尔顿

M

Mach, Ernst马赫

Macintosh, Charles麦金托什

Mackenzie, Kenneth Ross 麦肯齐

Macleod, Colin Munro C. M.麦克劳德

Macleod, John James Richard J. J. R. 麦克劳德

Macquer, Pierre Joseph 麦夸尔

Maffei, Paolo马费伊

Magellan, Ferdinand 麦哲伦

Magendie, Fran.ois马让迪

Maiman, Theodore Harold 梅曼

Malpighi, Marcello 马尔皮基

Malthus, Thomas Robert 马尔萨斯

Malus, Etienne Louis马吕

Mann, Thaddeus Robert Rudolph 曼

Manson, Patrick曼森

Marconi, Guglielmo 马可尼

Marcus, Aurelius马可·奥勒利乌斯

Marduk 马尔杜克

Marine, David 马林

阿西莫夫最新科学指南

阿西莫夫最新科学指南

Mariner, Ruth马里纳

Marinsky, J. A. 马林斯基

Marius, Simon马里厄斯

Martin, Archer John Porter马丁

Matthei, J.Heinrich马太

Mauchley, John William莫奇利

Maunder, Edward Walter 蒙德

Maurice (Prince) 莫里斯（王子）

Maury, Anotonia C. A. C. 莫里

Maury, Matthew Fontaine M. F. 莫里

Maxim, Hiram Stevens马克沁

Maxwell, James Clerk麦克斯韦

Mayer, Cornell H. C. H. 迈耶

Mayer, Jean J. 迈耶

Mayer, Julius Robert J. R. 梅耶

Maynard, J.Parkers 梅纳德

Mayr, Ernst Walter迈尔

McCarthy, John麦卡锡

McCarty, Maclyn麦卡蒂

McClintock, Barbara麦克林托克

McCollum, Elmer Vernon麦科勒姆

McCoy, Herbert Newby 麦科伊

McMillan, Edwin Mattison麦克米伦

Mechnickov, Ilya Ilitch 梅奇尼科夫

Medawar, Peter 梅达沃

Meissner, Walther迈斯纳

Meister, Joseph 迈斯特

人名译名对照表

人名译名对照表

纳

Melotte, P. J.梅洛特

Ménard, Louis Nicolas 梅纳尔

Mendel, Gregor Johann 孟德尔

Mendel, Lafayette Benedict 门德尔

Mendeléev, Dmitri Ivanovich门捷列夫

Menghini, Vincenzo Antonio 门基尼

Menten, Maud Lenora 门滕

Menzel, Donald Howard 门泽尔

Mering, Joseph von 梅灵

Merrifield, Robert Bruce 梅里菲尔德

Mersenne, Marin梅森

Mesmer, Franz Anton 梅斯梅尔

Messier, Charles 梅西耶

Meyer, Julius Lothar迈耶尔

Meyer, Viktor迈尔

Meyerhof, Otto Fritz迈尔霍夫

Michaelis, Leonor 米歇里斯

Michell, John 米歇尔

Michelson, Albert Abraham迈克耳孙

Midgely, Thomas米奇利

Miescher, Friedrich 米舍尔

Milankovich, Milutin米兰科维奇

Miller, Jacques F. A. P. J. F. A. P.米勒

Miller, Neal Elgar N. E. 米勒

Miller, Stanley Lloyd S. L. 米勒

Millikan, Robert Andrews密立根

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Milne, John 米尔恩

Minkowski, Hermann H.明科夫斯基

Minkowski, Oscar O. 明科夫斯基

Minkowski, Rudolf闵科夫斯基

Minos弥诺斯

Minot, George Richards迈诺特

Mirsky, Alfred Ezra 米尔斯基

Miyamoto, Shotaro 宫本小太郎

Mohl, Hugo von 莫尔

Mohorovicic, Andrija莫霍洛维奇

Mohs, Friedrich莫斯

Moissan, Ferdinand F. H.穆瓦桑

Molchanoff, Pyotr A. 莫尔恰诺夫

Moller, Christian莫勒

Mondino de Luzzi 蒙迪诺

Moniz, Antonio Egas莫尼斯

Monod, Jacques Lucien 莫诺

Montagu, Lady Mary Wortley 蒙塔古

Montgolfier, Jacques étienne J. E. 蒙戈尔费埃

Montgolfier, Joseph Michel J. M.蒙戈尔费埃

Moore, Stanford S. 穆尔

Moore, Thomas T. 穆尔

Morgan, Thomas Hunt 摩尔根

Morgan, William Wilson摩根

Morley, Edward Williams莫利

M.rner, K. A. H. 默尔内尔

Morse, Samuel Finley Breese 莫尔斯

人名译名对照表

人名译名对照表

莫顿

Morveau, Louis Bernard Guyton de摩尔佛

Mosander, Carl Gustav 莫桑德尔

Moseley, Henry G. J. 莫塞莱

Moses摩西

M.ssbauer, Rudolf Ludwig 穆斯堡尔

Moulton, Forest Ray莫尔顿

Mueller, Erwin Wilhelm E. W. 米勒

Mulder, Gerardus Johnnes穆尔德

Muller, Hermann Joseph 马勒

Müller, Johannes Peter J. P. 弥勒

Müller, Otto Frederik O. F. 弥勒

Müller, Paul P. 米勒

Murchison, Roderick Impey 麦奇生

Murdock, William默多克

Murphy, William Parry 墨菲

Musschenbroek, Pieter van 穆申布鲁克

N

N.geli, Karl Wilhelm von 内格里

Nansen, Fridtjof 南森

Napier, John 纳皮尔

Napoleon I (Emperor) 拿破仑一世

Napoleon III (Emperor) 拿破仑三世

Nathans, Daniel 内森斯

Natta, Giulio纳塔

Nebuchadnezzar 尼布甲尼撒

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Ne’eman, Yuval 尼埃曼

Nernst, Hermann Walther 能斯脱

Nestor内斯特

Neumann, John von 诺伊曼

Newcomen, Thomas纽科门

Newlands, John Alexander Reina纽兰兹

Newton, Isaac 牛顿

Nicholas II (Tsar) 尼古拉二世（沙皇）

Nicholas of Cusa尼古拉斯（库萨的）

Nicholson, Seth B. 尼科尔森

Nicol, William 尼科耳

Nicolet, Marcel尼柯列特

Nicolle, Charles 尼科尔

Niepce, Joseph Nicéphore尼埃普斯

Nightingale, Florence南丁格尔

Nilson, Lars Fredrik 尼尔森

Ninninger, Harvey Harlow尼宁格

Nirenberg, Marshall Warren 尼伦伯格

Noah 挪亚

Nobel, Alfred Bernhard 诺贝尔

Noddack, Walter 诺达克

Norgay, Tenzing 诺盖

Norman, Robert 诺曼

Northrop, John Howard 诺思罗普

O

Oakley, Kenneth 奥克利

人名译名对照表

人名译名对照表

奥特利

Oberth, Hermann 奥伯特

Ochoa, Severo奥乔亚

Odin 奥丁

Oersted, Hans Christian 奥斯特

Ohdake, S.大岳

Ohm, Georg Simon 欧姆

Olber, Heinrich W. M. 奥伯斯

Oldham, Richard Dixon奥尔德姆

Olds, James J. 奥尔兹

Olds, Ransom E. R. E.奥尔兹

Oliphant, Marcus Lawrence Elwin 奥利芬特

Oliver, Bernard 奥利弗

O'Neill, Gerard Kitchen奥尼尔

Onnes, Heike Kamerlingh昂内斯

Oort, Jan 奥尔特

Oparin, Aleksandr Ivanovich 奥巴林

Oppenheimer, J. Robert奥本海默

Oro, Juan 奥罗

Ostwald, Wilhelm奥斯特瓦尔德

Otis, Elisha Graves奥蒂斯

Otto, Nikolaus奥托

Oughtred, William奥特雷德

Owen, Richard 欧文

P

Palade, George Emil帕拉德

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Palmer, Nathaniel B.帕默

Palmieri, Luigi 帕尔米里

Pandora潘多拉

Paneth, Friedrich Adolf帕内特

Papin, Denis 帕潘

Paracelsus 巴拉赛尔苏斯

Parker, Eugene Norman 帕克

Parkes, Alexander帕克斯

Parmalee, D. D. 帕马利

Parsons, Charles Algernon C. A.帕森斯

Pascal, Blaise帕斯卡

Pasierb, Elaine 帕西尔柏

Pasteur, Louis 巴斯德

Pauli, Wolfgang泡利

Pauling, Linus泡令

Pavlov, Ivan Petrovich巴甫洛夫

Payen, Anselme帕扬

Payer, Julius 帕耶

Peary, Robert Edwin 皮里

Pedro II (Emperor) 佩德罗二世

Pekelharing, Cornelis Adrianis帕克尔哈林

Pelletier, Pierre Joseph 佩尔蒂埃

Penfield, Wilder Graves彭菲尔德

Penzias, Arno Allan彭齐亚斯

Peregrinus, Peter 佩雷格里诺斯

Perey, Marguerite佩雷

Pericles伯里克利

人名译名对照表

人名译名对照表

尔

Perkin, William Henry 珀金

Perkins, Jacob 珀金斯

Perl, Marin L. 珀尔

Perrier, Carlo 佩列尔

Perrin, Jean 皮兰

Perrine, Charles Dillon珀赖因

Persoz, Jean Francois佩索兹

Perutz, Max Ferdinand 佩鲁茨

Pestka, Sydney佩斯特卡

Peter I (Tsar) 彼得大帝一世（沙皇）

Petri, Julius Richard皮特里

Petrjak, K. A. 派垂克

Pettengill, Gordon H.佩滕吉尔

Petterson, Hans 彼得森

Pfann, William Gardner 帕恩

Pfeffer, Wilhelm普费弗尔

Phipps, James菲普斯

Piazzi, Giuseppi皮亚齐

Piccard, Auguste A. 皮卡德

Piccard, Jacques J. 皮卡德

Piccard, Jean Felix J. F.皮卡德

Pickering, Edward Charles E. C.皮克林

Pickering, William Henry W. H. 皮克林

Pictet, Raoul皮克蒂

Pierce, John Robinson 皮尔斯

Pipkin, Marvin皮普金

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Pirie, Norman Wingate皮里

Pitt-Rivers, Rosalind皮特-里弗斯

Planck, Max K. E. L.普朗克

Planté, Gaston 普朗泰

Plass, Gilbert N. 普拉斯

Plato 柏拉图

Platt, Hugh普拉特

Pliny普林尼

Pliny the Younger小普林尼

Plotinus普罗提诺

Pniewski, Jerzy 帕尼夫斯基

Pogson, Norman Robert 鲍格森

Polo, Marco 马可·波罗

Polyakov, Alexander波利亚柯夫

Pomeranchuk, Isaak Yakovievich波马伦库克

Ponnamperuma, Cyril庞南佩鲁马

Pontecorvo, Bruno庞蒂科沃

Pope, William Jackson波普

Popov, Alexader Stepanovich 波波夫

Porta, Giambattista della波尔塔

Posidonius波西多留斯

Poulsen, Valdemar 浦耳生

Powell, Cecil Frank C. F. 鲍威尔

Powell, George G.鲍威尔

Powers, John 鲍尔斯

Praxagoras普拉哈高拉斯

Prebus, Albert F.普雷布斯

人名译名对照表

人名译名对照表

普列格尔

Priam 普里阿摩斯

Priestley, Joseph普里斯特利

Prochorov, Aleksandr Mikhailovich普罗霍罗夫

Proust, Joseph Louis 普鲁斯特

Prout, William 蒲劳脱

Ptolemy 托勒玫

Ptolemy V (King)托勒密五世

Pupin, Michael Idvorsky浦品

Purcell, Edward Mills拍塞尔

Purkinje, Jan Evangelista普尔金耶

Pythagoras毕达哥拉斯

R

Rabi, Isidor Isaac拉比

Rabinowitch, Eugene I.拉宾诺维奇

Rall, Theodore W. W. 拉尔

Raman, Chandrasekhara Venkata喇曼

Ramon, Gaston拉蒙

Ramony Cajal, Santiago拉蒙-卡哈尔

Ramsay, William 拉姆齐

Rankine, William John Macquorn兰金

Ranson, Stephen Walter 兰森

Rasmussen, Howard 拉斯马森

Rasputin, Gregory拉斯普廷

Rassam, Hurmuzd 拉萨姆

Rawlinson, Henry Creswicke 罗林森

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Ray, John 雷

Rayleigh, John W.Strutt, Lord瑞利勋爵

Reagan, Ronald 里根

Réaumur, René A. F. de列奥米尔

Reber, Grote雷伯

Redi, Francesco 雷迪

Reed, Walter里德

Regiomontanus 雷乔蒙塔努斯

Regnault, Henri Victor勒尼奥

Reichstein, Tadus赖希施泰因

Reines, Frederick 莱因斯

Reinmuth, Karl 莱因莫斯

Remak, Robert雷马克

Retzius, Anders Adolf 雷齐乌斯

Riccioli, Giovanni, Battista里乔利

Richards, Theodore William理查兹

Richardson, Owen Willans里查孙

Richelieu, Duc de黎塞留公爵

Richer, Jean 里奇

Richet, Charles Robert里歇

Richter, Burton B. 里克特

Richter, Charles Francis C. F.里克特

Ricketts, Howard Taylor立克次

Ride, Sally 赖德

Ringer, Sidney林格

Rittenberg, David里顿伯格

Ritter, Johann Wilhelm里特

人名译名对照表

人名译名对照表

斯

Robinson, Robert罗宾森

Roche, Edouard 洛希

Roemer, Olaus 罗默

Roentgen, Wilhelm Konrad 伦琴

Roget, Peter Mark罗热

Roosevelt, Frankling Delano F. D.罗斯福

Rorchach, Hermann 罗尔沙赫

Rose, William Cumming W. C. 罗斯

Rosen, James M. 罗森

Rosenheim, Otto罗森海姆

Ross, James Clark J. C. 罗斯

Ross, Ronald R. 罗斯

Ross, William Horace W. H. 罗斯

Rosse, William Parsons, Lord 罗斯勋爵（W.帕森斯）

Rossi, Bruno 罗西

Rous, Francis Peyton F. P. 劳斯

Rowland, Henry Augustus罗兰

Ruark, Arthur Edward 鲁阿克

Ruben, Samuel鲁宾

Rumford, Benjamin Thompson, (Count)拉姆福德伯爵

（B.汤普森）

Ruska, Ernst鲁斯卡

Russell, Bertrand B. 罗素

Russell, Henry Norris H. N. 罗素

Rutherford, Daniel 拉瑟福德

Rutherford, Ernest 卢瑟福

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Ruzicka, Leopold 卢齐卡

Ryle, Martin赖尔

S

Sabatier, Paul 萨巴蒂埃

Sabin, Albert Bruce萨宾

Sabine, Edward赛宾

Sachs, Julius von 萨克斯

Sagan, Carl萨根

Sager, Ruth 塞杰尔

Sainte-Claire Deville, Henri E.圣克莱尔德维尔

Sakel, Manfred萨克尔

Salam, Abdus萨拉姆

Salk, Jonas Edward 索尔克

Sandage, Allen桑德奇

Sanger, Frederick 桑格

Sarrett, IJewis H. 萨雷特

Saul 扫罗

Saussure, Nicholas Théodore de索绪尔

Sautuola, Marquis de绍图奥拉

Savery, Thomas 萨弗里

Savitch, P.萨维奇

Sch.berle, John Martin沙伯勒

Schaefer, Vincent Joseph V. J. 谢弗

Schaffer, Frederick I. F. I. 谢弗

Scheele, Carl Wilhelm 舍勒

Scheiner, Christoph席纳尔

人名译名对照表

人名译名对照表

斯基帕雷利

Schirra, Walter M. 希拉

Schleiden, Mathia Jacob施莱登

Schlieman, Heinrich谢里曼

Schmidt, Bernard B. 施密特

Schmidt, Maarten M. 施密特

Schoenheimer, Rudolf 舍恩海默

Sch.nbein, Christian Friedrich舍恩拜因

Schr.dinger, Erwin 薛定愕

Schr.tter, Anton, Ritter von施勒特尔

Schultze, Max Johann Sigismund 舒尔策

Schuster, P.舒斯特

Schwabe, Heinrich Samuel 施瓦贝

Schwann, Theodor 施万

Schweigger, Johann S. C.施魏格

Schwerdt, Carlton E.施沃特

Schwinger, Julian施温格

Scopes, John Thomas 斯科普斯

Scott, K. J. K. J. 斯科特

Scoot, Robert Falcon R. F.斯科特

Seaboerg, Glenn Theodore 西博格

Secchi, Petro Angelo塞奇

Sedgwick, Adam塞奇威克

Seebeck, Thomas Johann 塞贝克

Segrè, Emilio Gino塞格雷

Semmelweiss, Ignaz Philipp 塞麦尔维斯

Senderens, Jean Baptiste桑德仑

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Seneca塞涅卡

Seyfert, Carl 赛弗特

Shackleton, Ernest E. 沙克尔顿

Shackleton, N. J. N. J. 沙克尔顿

Shakespeare, William莎士比亚

Shannon, Claude Elwood香农

Shapiro, Irwin Ira 夏皮罗

Shapley, Harlow 沙普利

Sharpey-Schafer, Edward Albert沙比-谢弗

Shaw, George Bernard萧伯纳

Shawlow, Arthur L.肖洛

Shemin, David 谢敏

Sherrington, Charles Scott谢灵顿

Shimamura, T. 岛村

Shklovskii, I. S. 什克洛夫斯基

Shockley, William Bradford肖克利

Siebe, Augustus 西贝

Siebold, Karl Theodore Ernst 西博尔德

Siegbahn, Karl Manne George西格班

Siemens, Karl Wilhelm西门子

Sikorsky, Igor Ivan西科尔斯基

Silliman, Benjamin 西利曼

Simon, Theodore西蒙

Simpson, James Young 辛普森

Sinsheimer, Robert Louis辛希默

Slipher, Vesto Melvin 斯里弗

Slye, Maude斯莱

人名译名对照表

人名译名对照表

斯

Smith, George G.史密斯

Smith, Hamilton Othniel H. O. 史密斯

Smith, J. L. B. J. L. B. 史密斯

Smith, William (explorer) W. 史密斯（探险家）

Smith, William (geologist) W.史密斯（地质学家）

Snell, Willebrord斯涅耳

Sobel, Henry W. 索贝尔

Sobrero, Ascanio索伯雷罗

Socrates苏格拉底

Soddy, Frederick索迪

Solomon 所罗门

Sommerfeld, Arnold Johannes Wilhelm索末菲

Sophocles索福克勒斯

Sorokin, Peter索罗金

Spallanzani, Lazzaro 斯帕兰札尼

Speck, Richard 斯佩克

Spedding, Frank Harold斯佩丁

Spencer, Herbert 斯宾塞

Sperry, Elmer Ambrose斯佩里

Spiegelman, Sol施皮格尔曼

Spinrad, Hyron 斯平拉德

spitzer, Lyman斯皮策

Stalin, Josef V.斯大林

Stanley, Francis Edgar F. E. 斯坦利

Stanley, Wendell Meredith W. M.斯坦利

Stapp, John Paul斯塔普

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Stark, Johannes 斯塔克

Starling, Ernest Henry斯塔林

Stas, Jean Servais史塔斯

Staudinger, Hermann 施陶丁格

Steele, Jack 斯蒂尔

Stefan, Josef斯式藩

Stein, William Howard 斯坦

Steinmetz, Charles Proteus施泰因梅茨

Stelluti, Francesco 斯特鲁蒂

Stenhouse, John斯坦豪斯

Steno, Nicolaus 斯蒂诺

Stephenson, George斯蒂芬森

Stern, Otto斯特恩

Stevens, Edward史蒂文斯

Stevinus, Simon斯蒂文

Stokes, George Gabriel斯托克斯

Stoney, George Johnstone斯托尼

Strassman, Fritz斯特拉斯曼

Struve, Friedrich Wilhelm von斯特鲁维

Sturgeon, William斯特金

Sturtevant, Alfred Henry斯特蒂文特

Sudarshan, Ennackal C. G.苏达杉

Suess, Edward E. 休斯

Sumner, James Batcheller萨姆纳

Sutherland Jr., Earl Wilbur萨瑟兰

Sutton, Walter Stanborough萨顿

Suzuki, Umetaro 铃木

人名译名对照表

人名译名对照表

斯韦德贝里

Swallow, John Crossley斯沃洛

Swammerdam, Jan斯旺默丹

Swan, Joseph 斯旺

Swift, Jonathan斯威夫特

Sylvester II (Pope)西尔维斯特二世

Synge, Richard L. M.辛格

Szent-Gy.rgyi, Albert森特-哲尔吉

Szilard, Leo齐拉特

T

Tacke, Ida塔克

Tainter, Charles Sumner泰恩特

Takaki, Kanehiro高木兼宽

Takamine, Jokichi高峰让吉

Talbot, William Henry Fox 塔尔博特

Tamm, Igor Yevgenevich塔姆

Tartaglia, Niccolo 塔尔塔利亚

Tatum, Edward Lawrie 塔特姆

Tayler, Gordon G.泰勒

Taylor, Elizabeth E. 泰勒

Taylor, Frederick Winslow F. W.泰勒

Teisserenc de Bort, Leon Philippe泰塞朗·德博尔

Teller, Edward特勒

Tempel, Ernst Wilhelm坦普尔

Tennant, Smithson坦南特

Tereshkova, Valentina V. 捷列什科娃

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Terman, Lewis Madison 特曼

Tesla, Nikola特斯拉

Thales泰勒斯

Theiler, Max 泰累尔

Thoophrastus泰奥弗拉斯托斯

Theorell, Hugo 泰奥雷尔

Thiele, Johnnes 悌勒

Thilorier, C. S. A. 狄劳里雅

Thomas, Sidney Gilchrist托马斯

Thomsen, Christian Jufgenson C. J. 汤姆森

Thomson, Charles Wyville C. W.汤姆森

Thomson, George Paget G. P. 汤姆孙

Thomson, Joseph John J. J. 汤姆孙

Thomson, Robert William R. W.汤姆森

Thor托尔

Ting, Samuel Chao Chung 丁肇中

Tiselius, Arne Wilhelm Kaurin蒂塞利乌斯

Tissandier, Gaston 狄山迪尔

Titian提香

Titov, Gherman Stepanovich 季托夫

Todd, Alexander Robertus托德

Tombaugh, Clyde William汤博

Tomonaga, Sin-itiro朝永振一郎

Torricelli, Evangelista托里拆利

Townes, Charl.s Hard 汤斯

Trefou.l, Jacques特雷弗尤尔

Ts’ai Lun蔡伦

人名译名对照表

人名译名对照表

封

·赛塞内格

Tsiolkovsky, Konstantin E.齐奥尔科夫斯基

Tswett, Mikhaill Semenovich茨维特

Tupyy, Hans 塔皮

Ture, Merle A. 图雷

Turing, Alan Mathison 图灵

Turpin, Raymond蒂尔潘

Twort, Frederick William特沃特

Tyndall, John廷德尔

U

Uhlenbeck, George Eugene乌伦贝克

Upatnieks, Juris 厄帕尼斯

Urbain, Georges 欧本

Ure, Andrew 尤尔

Urey, Harold Clayton 尤里

Ussher, James厄谢尔

V

Van Allen, James Alfred 范艾伦

Van Calcar, Jan Stevenzoon范卡尔卡

Van de Graaf, Robert Jemison范德格喇夫

Van de Hulst, Hendrik Christoffel范得胡斯特

Van de Kamp, Peter范德坎普

Van der Waals, Johannes Diderick范德瓦耳斯

Van Helmont, Jan Baptista范黑尔蒙特

Van Maanen.Adriaan万玛伦

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Varft Hoff, Jacobus Hendricus 范托夫

Vaucanson, Jacques de沃康松

Veksler, Valadimir Iosifovich 维克斯勒

Venetz, Ignatz维尼茨

Verne, Jules凡尔纳

Vesalius, Andreas维萨里

Vestris, Michael 维斯特里斯

Vicq d'Azyr, Felix 维克达居尔

Victoria (Queen)维多利亚（女王）

Vigneaud, Vincent du迪维尼奥

Villard, Paul Ulrich维拉德

Viviani, Vincenzo维维阿尼

Virchow, Rudolf菲尔绍

Vogel, Hermann Carl沃格尔

Volta, Alessandro伏打

Voltaire伏尔泰

Vonnegut, Bernard范内格特

Voorhis, Arthur D. 沃勒斯

W

Wahl, Arthur Charles A. C. 沃尔

Waksman, Selman Abraham瓦克斯曼

Wald, George沃尔德

Waldeyer, Wilhelm von 瓦尔德尔

Wall, William W.沃尔

Wallace, Alfred Russel华莱士

Wallach, Otto瓦拉赫

人名译名对照表

人名译名对照表

沃利克

Walsh, Don沃尔什

Walter, william Grey 沃尔特

Walton, Ernest Thomas Sinton瓦耳顿

Warburg, Otto Heinrich 瓦尔堡

Washington, George华盛顿

Wasserman, August von 瓦色曼

Watson, James Dewey J. D. 沃森

Watson, John Broadus J. B. 沃森

Watson-watt, Robert Alexander沃森-瓦特

Watt, James 瓦特

Weber, Joseph 韦伯

Webster, T. A.韦伯斯特

Weddell, James 威德尔

Wegener, Alfred Lothar魏格纳

Weinberg, Robert A. R. A. 温伯格

Weinberg, Steven S.温伯格

Weiner, Joseph Sidney维纳

Weismann, August Friedrich Leopold魏斯曼

Weiss, Prierre 外斯

Weizss.cker, Carl Friedrich von韦扎克

Weller, Thomas Huckle韦勒

Welles, Orson O. 韦尔斯

Wells, Herbert George威尔斯

Wells, Horace H. 韦尔斯

Wells, John West J. W.韦尔斯

Welsbach, Karl Auer, Baron von 韦耳斯拔

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Wendelin, Godefroy温德林

Werner, Abraham Gottlob 维尔纳

Werner, Alfred 韦尔纳

Westall, R. G.韦斯托尔

Westinghouse, George威斯汀豪斯

Westphal, Carl Friedrich Otto韦斯特法尔

Weyprecht, Carl 韦普雷希特

Weyssenhoff, H.von威森霍夫

Wharton, Leonard 华顿

Wheatstone, Charles 惠斯通

Wheeler, John Archibald 惠勒

Whewell, William休厄尔

Whipple, Fred Lawrence F. L.惠普尔

Whipple, George Hoyt G. H. 惠普尔

White, Edward H. 怀特

Whitney, Eli 惠特尼

Whittaker, Robert Harding 惠塔克

Whittle, Frank惠特尔

Wickramasinghe, Chandra威克拉马辛吉

Wieland, Heinrich 维兰德

Wien, Wilhelm维恩

Wiener, Norbert 维纳

Wigner, Eugene维格纳

Wilberforce, Samuel 威尔伯福斯

Wildt, Rupert维尔特

Wilhelm II (Kaiser) 威廉二世

Wilkes, Charles 威尔克斯

人名译名对照表

人名译名对照表

斯

Wilkins, Maurice Hugh Frederick M. H. F.威尔金斯

Willcock, Edith Gertrude威尔科克

Williams, Carroll Milton C. M.威廉斯

Williams, Robert Runnels R. R.威廉斯

Williams, Robley Cook R. C.威廉斯

Willis, Thomas威利斯

Willst.tter, Richard威尔施泰特

Wilm, Alfred 威尔姆

Wilska, Alvar P. 威尔斯卡

Wilson, Alexander威尔逊

Wilson, Charles Thomson Rees C. T. R.威耳孙

Wilson, Robert Woodrow R. W.威耳孙

Windaus, Adolf 温道斯

Winkler, Clemens Alexander 温克勒

Wislicenus, Johannes维斯利采努斯

Witt, Gustav维特

Woese, Cad R. 沃斯

W.hler, Friedrich维勒

Wolf, Maximilian F. J. C. M. 沃尔夫

Wolf, Rudolf R. 沃尔夫

Wolff, Kaspar Friedrich K. F.沃尔夫

Wolfgang, Richard Leopold沃尔夫冈

Wollaston, William Hyde 渥拉斯顿

Woodward, Arthur Smith A. S. 伍德沃德

Woodward, Robert Burns R. B.伍德沃德

Woolfson, M. M.伍尔夫森

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Wright, Orville O.莱特

Wright, Seth赖特

Wright, Wilbur W.莱特

Wu, Chien-Shiung吴健雄

Wunderlich, Karl August冯德利希

Wundt, Wilhelm 冯特

Wyckoff, Ralph Walter Graystone威科夫

Wynn-Williams, Charles Eryl温-威廉斯

X

Xenophanes色诺芬尼

Y

Yagi, Kunio 八木

Yamagiwa, K. 山极

Yang, Chen Ning杨振宁

Yarmolinsky, Michael亚莫林斯基

Yeager, Charles Elwood 耶格尔

Yegorov, Boris G.叶哥罗夫

Young, John W. J. W.扬

Young, Thomas T.扬

Young, William John W. J. 扬

Yukawa.Hideki汤川秀树

Z

Zelikoff, Murray 席里可夫

Zeus宙斯

人名译名对照表

人名译名对照表

勒

Zinn, Walter Henry津恩

Zondek, Bernhard 宗代克

Zsigmondy, Richard Adolf 席格蒙迪

Zwicky, Fritz兹威基

Zworykin, Vladimir Kosma兹沃尔金

校对及文字更改说明：

校对及文字更改说明：

说 明

087页/21行“铜-铬铁矿”：原书误译为“铬化铜”

096页/05行“制造柠檬酸”：原书误为“制造柠檬”

110页/图胆固醇结构式最右侧下分支“CH3”，原书错为“CH”

144页/17行“大部分”：原书误为“大分部”

147页/03行“因而”：原书译为“而且”，按前后文意思改正

159页/图腺嘌呤结构式顶部分支“NH2 ”，原书错为“

NH”

148页/05行“热衷”：原书为“热中”

165页/10行“嘌呤和嘧啶”：原书误为“嘌呤和肽”

183页/24行“腺苷三磷酸是……”：原书误为“核苷三磷酸是……”

186页/22行“一氧化氮”：原书译为“氧化氮”

271页/下图维生素

A结构式顶部左侧分支“

CH3 ”，原书错为“

CH2 ”

279页/图维生素

B2结构式中间环左侧碳链为双键，原书错为单键。

283页/14行

“在所有的无机物中，磷是最后一种被发现的……”：

原书译为“在所有的无机盐中，磷是最后被发现的一种无

机盐……”，磷不能算作无机盐。

364页/13行

“1 600立方厘米”：原书误为“16 000立方厘米”

365页/01行“古老……的头盖骨”：原书误为“石老……的头盖骨”

386页/07行起重力加速度单位为“g”，原书误译为“克”，以下

10处同

422页/15行“徒劳无功”：原书误为“图劳无功”

470页/14行

“386 000公里”：原书误为“38 600公里”

474页/11行“两直角边的平方和”：原书误为“两边的平方和”

482页/04行

“e＝mc2”：原书误为“

e＝MC2”

496页/15行

“De Broglie”：原书误为“

De Brogie”

507页/09行

“Heraclides”：原书误为“

Heracleides”

珍

爱

爱爱书

书书籍

籍籍，

，，开

开开卷

卷卷有

有有益

益益，

，，请

请请支

支支持

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式式出

出出版

版版物

物物。

。。

《阿西莫夫最新科学指南下》二校图文版，版面精确还原

全书由凡剑（Ken777）OCR、一校、修图、排版制作。

全书由 601joy二校。

(图章注释 ken777

2010-3-28 16:28:50

二校完毕。)

(附注注释 ken777

2010-3-28 16:27:54

“ken777”设置的“Marked”)

2010年 03月 28日制作